[发明专利]超重力场船行波模拟试验装置及方法

说明书

本发明涉及超重力场船行波模拟试验装置及方法。包括离心机吊篮、超重力模型试验箱和船形波作动装置；超重力模型试验箱组成包括底板、侧板、前板和背板；底板上设有进水孔及透水孔；前板和背板顶部设有活动导轨，船形波作动装置通过支撑板固定于活动导轨上，沿着活动导轨位移；船形波作动装置组成包括楔形块、滑动杆、限位块、撞击块和气压作动器；限位块固定于支撑板上方；滑动杆穿过限位块、支撑板连接下方的楔形块，滑动杆顶端连接撞击块；气压作动器利用气压输出做功，驱动楔形块在垂直于超重力模型试验箱方向运动造波。本发明装置和方法可实现在超重力场下模拟真实船行波作用。

技术领域

本发明涉及水利水运工程领域，具体涉及一种用于在超重力场下模拟船行波作用的装置及方法。

背景技术

长江经济带等流域经济发展的成就举世瞩目，然而流域水安全、水环境问题也日益突出。当前，水资源短缺、水环境污染、水生态损害和水灾害频发等四大水问题是长江经济带发展的主要短板。其中，由于干支流航运条件的提升等因素，导致流域河道岸壁因船行波等作用发生的滑塌、掏蚀等破坏，严重威胁流域水生态、水环境及水运安全。

船行波是一种重力波，是由行进船形成的相对水面的连续压力冲量扰动，波浪特征遵循重力相似定律。船行波由船首排挤水体，使该处水面局部升起形成船首波；随着船体移动，使行驶处水面下降，从而形成船尾波。船行波问题的实质，是船舶航行时引起的流体动力学动力特性问题，它的造波机理已拥有完整的理论解答，但仅限于波浪特征。对于研究船行波对岸坡构筑物作用等工程实际问题时，纷繁的参数和公式使得理论分析很难为具体工程问题服务。

模型试验是研究工程具体问题的普遍方法。在传统的模型试验中，模拟船行波常见的方法是将缩尺的模型船放入缩尺的河道（港口），利用相关装置驱动模型船行进从而生成船行波，进而考察模拟波对其中模型船的行进速度依据比尺准则预设。但传统模型试验通常在常重力场下进行，在实际操作中存在一些不可回避的问题。一是应力不相似；在研究以岩土体为主的岸坡构筑物时，岩土材料受力状态以自重应力为主，即必须考虑相应材料自重，这种状态下研究船行波对岩土体的崩解、滑塌、掏蚀等作用时，无法满足基本的重力相似，因此这类试验仅能用于破坏形态等观察。二是模型尺度不易控制；已有的研究表明，在一定比尺下，按照相似准则，比例较小的模型无法观测需要，而在较大的尺度下模型制作又需要投入大量人力物力。

利用土工离心模拟技术开展相关试验研究，通过设置相似比尺N，不仅可以利用离心力形成等比重力场，从而反应真实应力状态下岸壁受船行波作用的破坏量级，还因独特的缩时效应实现短时间内模拟大跨度时间下原型河道真实工况。在离心机上开展相关问题的动态模拟，关键技术在于在一定的相似比尺下，实现模型试验箱内船行波的输出。

随着新时代治水方针的贯彻深入，强化基础研究和应用基础研究在流域水安全保护的应用，迫切需要掌握通航条件下“船行波-岸壁动力相互作用机理”，为相关部门的堤防设计和航道管理提供支撑。作为唯一能在缩尺模型尺度和真实应力场条件下再现原型过程的有效手段，相应的超重力场中的集成系统是实现这一目的的前沿装置。该系统的研发对探索复杂条件下流域河道航运及生态安全，促进相关研究技术发展意义显著。

发明内容

本发明的目的在于提供超重力场船行波模拟试验装置及方法，可实现定量模拟岸坡构筑物在船行波作用下物理力学特征。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超重力场船行波模拟试验装置，包括离心机吊篮、超重力模型试验箱和船行波作动装置，所述超重力模型试验箱固定于离心机吊篮内，所述船行波作动装置固定于超重力模型试验箱上；

所述超重力模型试验箱的组成包括底板、侧板、前板和背板；底板上设有进水孔及透水孔；前板和背板顶部设有活动导轨，船行波作动装置通过支撑板固定于活动导轨上，沿着活动导轨位移；