實驗水槽常規(guī)流速模擬的縮尺方法

姜靜波, 倪佐濤, 李思忍

(中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

波浪、海流和風(fēng)是典型的海洋動力環(huán)境的影響因子, 由波浪、海流和風(fēng)形成的極端海況, 極大地影響了海洋監(jiān)測儀器設(shè)備的正常工作, 甚至損壞或毀壞監(jiān)測儀器設(shè)備[1]。

海洋監(jiān)測儀器設(shè)備動力環(huán)境實驗平臺是采用物理模擬的技術(shù)手段, 在實驗室一定規(guī)格的水槽內(nèi)再現(xiàn)浪、流、風(fēng)等海洋環(huán)境。因此, 要在水槽中完成常規(guī)海流的模擬, 首先需要研究我國沿海海流的特征以及對監(jiān)測儀器設(shè)備的影響與危害程度, 完成適用于海洋監(jiān)測儀器設(shè)備的動力環(huán)境設(shè)計, 從而根據(jù)實驗水槽的實際尺寸確定其造流參數(shù)[2-6]。文章主要針對目前科研用實驗水槽的水流生成技術(shù), 提供對應(yīng)的縮尺方案, 并給出了實驗論證。

1 海洋環(huán)境條件模擬

1.1 模型縮尺比的選擇

正確選定一個合適的模型縮尺比是海洋工程進行模型水動力性能實驗的首要問題, 如果考慮不周, 會影響實驗研究任務(wù)的順利完成。相似理論是指導(dǎo)模型實驗研究以及預(yù)報實體動力性能的基本理論。模型和實體兩個系統(tǒng)應(yīng)該滿足幾何、運動和動力相似[7-9]。由于海洋監(jiān)測儀器設(shè)備種類繁多、功能各異, 其重量和主尺度差別較大, 因此需要合適范圍的縮尺比。

設(shè)計模型時嚴(yán)格遵循有關(guān)的相似理論, 才能在模型上重現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)的力學(xué)現(xiàn)象, 取得可靠的試驗成果。在建立相似關(guān)系時, 相似現(xiàn)象的同一物理量之比, 稱為相似比或相似常數(shù); 所有相似常數(shù)之間, 存在著某種關(guān)系, 稱為相似指標(biāo); 與此對應(yīng), 相似現(xiàn)象各物理量之間也存在某種關(guān)系, 稱為相似準(zhǔn)則或相似判據(jù)。建立相似準(zhǔn)則或相似判據(jù)是以相似定理為依據(jù)的。相似定理有以下3條: (1)相似第一定理, 指出描述原型與模型兩個相似現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程式相同。彼此相似的現(xiàn)象的相似指標(biāo)等于1, 其相似準(zhǔn)則為一不變量; (2)相似第二定理, 又稱白金漢(Buekingham)二定理, 指出當(dāng)不能用數(shù)學(xué)方程式描述所研究的物理現(xiàn)象時, 可用量綱分析的方法建立各有關(guān)物理量之間的相似準(zhǔn)則; (3)相似第三定理, 又稱單值條件相似律。所謂單值條件相似系指物體的幾何特性、介質(zhì)特性(即物理參數(shù))、邊界條件和運動初始條件的相似。

目前, 海洋行業(yè)尚沒有頒布模型實驗相關(guān)規(guī)程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。國際海洋工程界一般公認(rèn)的最佳模型縮尺比范圍為60～80[10-12]。然而, 在實際選擇模型的縮尺比時, 應(yīng)綜合考慮實際任務(wù)要求和實驗水槽本身的功能。因此, 參照交通部發(fā)布的《波浪模型實驗規(guī)程》要求, 模型實驗時斷面物理模型長度比尺 1: 1～1: 80, 整體物理模型長度比尺≤150。

1.2 選擇模型縮尺比時需要考慮的問題

1.2.1 模型的大小

模型大小是考慮模型縮尺比的首要因素。模型過小會造成尺度效應(yīng)問題突出, 模型制作和模擬的相對精度降低, 以及實驗測量數(shù)據(jù)的相對誤差增大; 模型過大則會受到水槽槽壁效應(yīng)的影響, 造成水槽中過量的波浪反射而干擾正常實驗結(jié)果[13]。

1.2.2 海洋工程水槽的主要尺度

根據(jù)海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計的工作水深以及水槽能夠調(diào)節(jié)的最大水深, 從水深的模擬要求可以得到模型縮尺比的上限。根據(jù)海洋結(jié)構(gòu)物實體在海上系泊系統(tǒng)的布置以及水槽的長度和寬度, 從系泊系統(tǒng)伸展范圍的模擬要求可以得到模型縮尺比的上限。上述各項都是與模型縮尺比成線性關(guān)系, 因而從水槽主尺度的角度可以初步確定模型縮尺比的上限。

1.2.3 海洋工程水槽模擬風(fēng)、浪、流的能力

水槽中配置的造風(fēng)、造流系統(tǒng)的功能都有一定的極限, 即能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的最大風(fēng)速和流速。對照實驗任務(wù)中實際要求的最高風(fēng)速和流速, 注意到實體與模型速度之間的比尺是縮尺比的開方, 即可以從水槽造風(fēng)、造流系統(tǒng)的功能初步確定模型縮尺比的上限。海洋工程水槽的造風(fēng)能力一般都能滿足模型實驗的要求, 而造流系統(tǒng)的能力有時會成為縮尺比的重要限制因素。水槽中配置的造波機功能是指能夠產(chǎn)生的最大波高和能夠造波的波長范圍。各種類型造波機的功能都有上下限, 即能夠產(chǎn)生最長的波和最短的波。按照實驗任務(wù)中實際要求的最高波浪, 對照水槽造波機能夠產(chǎn)生的最大波高, 從兩者之間的比值即可初步確定模型縮尺比的上限。另一方面, 造波機高頻造波的能力, 又確定了縮尺比的下限。因為浮式海洋結(jié)構(gòu)物的模型實驗主要是在不規(guī)則波中進行的, 而表征不規(guī)則波性質(zhì)的是波譜, 它覆蓋了相當(dāng)寬廣的波頻范圍。造波機的機械和控制屬性往往限制高頻造波性能, 因此實驗中模擬不規(guī)則波譜時總是要做一定程度的高頻截斷, 縮尺比越大, 截斷造成的實驗誤差就越大。因此, 在選擇縮尺比時應(yīng)對任務(wù)書中規(guī)定的不規(guī)則波譜和水槽造波機的功能進行對比分析, 注意到實體的波浪頻率與模型的波浪頻率之間有縮尺比開倒數(shù)平方的關(guān)系, 即可選取恰當(dāng)?shù)哪Ｐ涂s尺比, 以便保證在水槽中能夠模擬合乎要求的不規(guī)則波浪。

1.2.4 海洋工程水槽各類儀器的測量功能

進行實驗時需要測量的內(nèi)容很多, 諸如風(fēng)速、流速、浪高、平臺模型六個自由度的運動、各根錨鏈線的受力、平臺指定位置處的加速度、甲板上浪及受到的沖擊力等。對于有多個浮體系泊組成的系統(tǒng), 還要求測量多個浮體之間的相對運動, 系泊纜的受力及靠泊力等。由于實驗室一般都具備有量程大小不同的各類測量儀器, 儀器的測量功能通常不是選擇模型縮尺比的決定因素, 但也應(yīng)予以考慮。一方面注意到是否有某一儀器的量程上限不能滿足測量要求, 更重要的是在于選用量程合適的儀器, 以保證模型實驗中能夠正確測得各項數(shù)據(jù)。

2 縮尺比在海流模擬中的應(yīng)用

在模擬流和浪之前, 應(yīng)先調(diào)節(jié)好水槽中的試驗水深, 這也是海洋環(huán)境條件模擬中的一個重要方面, 只是由于問題比較簡單, 一般不作專門討論。根據(jù)海洋結(jié)構(gòu)物實體的工作水深按縮尺比算出試驗水深, 調(diào)節(jié)水槽中假底高度, 當(dāng)測得的水深達到要求便完成了試驗水深的模擬。

海洋工程水槽中流的模擬是由專門的造流系統(tǒng)來實現(xiàn)的。造流原理比較簡單, 用高壓水泵將水吸入管中并均勻噴射, 使水槽中的水按一定方向流動, 即形成流的模擬。但要形成均勻、穩(wěn)定的流場, 需采取整流和循環(huán)等措施。

在許多試驗研究中, 常采取整體造流和局部造流相結(jié)合的方法, 以滿足流場模擬的需要。高壓噴水整體造流系統(tǒng)采取內(nèi)循環(huán)方式, 大功率水泵通過管路吸取水槽中的水, 經(jīng)水泵加壓后從安裝在池墻另一端下部三排管子的噴嘴中噴出高壓水流, 由于每排管子在沿池寬方向均勻布置了很多噴嘴, 因而噴射出的水流以及帶動周圍的水流比較均勻, 再經(jīng)過繞假底循環(huán), 從而在假底上部形成了均勻穩(wěn)定的水流。流速的調(diào)節(jié)由控制水泵電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。整體造流系統(tǒng)的優(yōu)點是模擬的水流場比較均勻穩(wěn)定, 其局限性是: (1)造流能力有限, 能夠產(chǎn)生的最大流速一般在0.2 m/s左右; (2)只能生成均勻流, 不能模擬流速隨水深按一定規(guī)律分布的流場; (3)難以任意調(diào)節(jié)流向和浪向之間的夾角。

局部造流系統(tǒng)是通過控制潛水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)水流速度, 在水槽中的局部范圍產(chǎn)生一定的流向和流速的水流。局部造流系統(tǒng)的優(yōu)點是: (1)具有產(chǎn)生較高流速的能力, 最大流速可達0.5 m/s; (2)布置比較靈活, 能夠任意調(diào)節(jié)流向和浪向之間的夾角; (3)采用多層局部造流的噴管進行分層控制, 可以模擬流速隨水深按一定規(guī)律分布的流場。其不足之處是: (1)產(chǎn)生的水流速度均勻性和穩(wěn)定性較差; (2)受到區(qū)域的限制, 往往需要進行測試調(diào)整。

在模型試驗中要求模擬的流場有: (1)均勻流, 規(guī)定表層流速和流向; (2)分層流, 規(guī)定流速及隨水深而變的流速分布和流向。

要求模擬的流向通常以與浪向的夾角來表示。整體造流系統(tǒng)的流向與浪向的夾角范圍可在0°～90°范圍內(nèi)調(diào)節(jié), 局部造流的流向則可任意調(diào)節(jié)。至于要求模擬的流速VCm, 可從規(guī)定的實體平均流速VCs按下式求得:

式中,λ為模型的縮尺比。

在流速測量方面, 如果只要求平均流速, 則一般采用葉輪式流速儀讀取平均數(shù)值即可。如需考察流速的穩(wěn)定程度和要求實時測量數(shù)據(jù), 則需要采用高靈敏度的流速儀進行測量, 通過AD轉(zhuǎn)換可得到流速隨時間的變化規(guī)律和某一指定時刻的瞬時流速。

對于均勻流的模擬, 一般只需要測量模型試驗區(qū)某一指定位置處的平均流速。如果測得的平均流速大于(或小于)要求模擬的流速(目標(biāo)值), 則調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速, 使測得的平均流速滿足要求。測得的平均流速與目標(biāo)值之間的誤差一般要求小于10%。

對于重要的試驗研究項目, 常需要測量試驗區(qū)域內(nèi)流場情況, 包括在同一水平面上流向(縱向)和垂直流向(橫向)若干點處的流速以及流速隨水深的分布情況, 借以反映所模擬的水流在試驗區(qū)域的均勻程度。此外還需測量某一代表點處規(guī)定的在試驗持續(xù)時間內(nèi)流速隨時間的變化情況, 以反映所模擬水流的時間穩(wěn)定性。這種高要求的流速模擬, 需要花費較多的調(diào)節(jié)、測量和分析時間才能完成。圖1、圖2給出了模擬流場的實例。

從模擬實驗看出, 圖1給出在水槽中流速為17.7 cm/s的流速情況下, 順向流可在縱向14 m距離內(nèi)保持相對穩(wěn)定, 而垂直流只可在穿越點的前后4 m, 共8 m的距離內(nèi)保持相對穩(wěn)定。圖2給出某點在持續(xù)時間內(nèi)流速隨時間的變化情況, 反映所模擬水流的時間穩(wěn)定性。對于合乎要求的模擬流場, 在均勻性和穩(wěn)定性方面通常都有限定的誤差指標(biāo); 在試驗區(qū)域內(nèi)沿流向和垂直流向各點所測得的平均流速與目標(biāo)值的誤差應(yīng)小于10%(均勻性指標(biāo)); 在某一代表點處測得的流速隨時間的變化, 其流速的均方差與平均流速的比值應(yīng)小于10%。

圖1 模擬流場的結(jié)果 Fig. 1 Stability simulation of flow field

圖2 流速穩(wěn)定性模擬 Fig. 2 Stability simulation of current velocity

3 結(jié)束語

通過本文中提到的流速模擬的縮尺方法, 可以結(jié)合動力水槽的實際尺度, 確定實際海洋、江河流場環(huán)境定量參數(shù)在實驗水槽中模擬參考值, 作為動力環(huán)境實驗平臺的設(shè)計參數(shù), 同時給出海洋行業(yè)相關(guān)模型實驗的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的參考方法。

[1] 高健. 室外小型實驗水槽的設(shè)計及其應(yīng)用[J]. 漁業(yè)機械儀器, 1992, 2: 6-8.

[2] 尤小華, 曹惠林. 海洋實驗水槽設(shè)計方案的研究[J]. 山東科學(xué), 2000, 3: 54-56.

[3] 徐肇廷, 王景明. 小型內(nèi)波實驗水槽及其供水、造波與量測系統(tǒng)[J]. 青島海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 1988, 7: 95-102.

[4] 陳謨. 如何使用CFD來確定風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ偷目s尺比例——風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計準(zhǔn)則從感性到理性的飛躍[J]. 宇航學(xué)報, 2007, 5: 594-596.

[5] 高學(xué)平, 杜敏, 宋慧芳. 水電站進水口漩渦縮尺效應(yīng)[J]. 天津大學(xué)學(xué)報, 2008, 9: 1116-1119.

[6] 劉巖, 張曉排, 孫云華, 等. 聲屏障縮尺模型試驗研究[J]. 噪聲與振動控制, 2009, 2: 103-105.

[7] 任旭虎, 楊磊, 綦耀光, 等. 基于相似理論的大型構(gòu)造物理模擬裝置的設(shè)計與研究[J]. 機械設(shè)計與制造,2010, 4: 24-26.

[8] 劉月琴, 尹尚先. 實驗室造波設(shè)備及波浪模擬技術(shù)的探討[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2000, 6: 105-109.

[9] 張瑞波, 王收軍, 朱國良. 伺服電機驅(qū)動式水槽造波機系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機械設(shè)計, 2007, 10: 40-42.

[10] 楊志國. 國內(nèi)外水池造波設(shè)備與造波技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 黑龍江科技信息, 2003, 9: 99.

[11] 王項南, 路寬, 李彥, 等. 基于海洋儀器設(shè)備的動力環(huán)境實驗?zāi)M[J]. 海洋技術(shù), 2011, 30(4): 1-5.

[12] 毛丞弘, 楊建民, 彭濤, 等. 海洋深水試驗池造流系統(tǒng)整流裝置數(shù)值計算與分析[J]. 水力學(xué)研究與進展, 2007, 22(4): 483-490.

[13] 徐劍. 試論海洋工程水池工藝設(shè)計的基本原理[J]. 造船技術(shù), 2008,1: 32-35.