一种顶部多气囊阵列式气压加载装置及工作方法

本发明属于流体试验，具体涉及一种顶部多气囊阵列式气压加载装置及工作方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、气压加载式水洞装置通过气体压力驱动水体形成试验流场，具有噪声低、初始扰动小等优点。为避免气体与水体直接接触导致气体溶解和析泡，现有技术通常采用气囊作为气水隔离介质。已有方案中，气囊可布置在加载仓内并沿加载仓长度方向伸缩，另通过外部连杆机构对气囊形态进行约束，以降低气囊非均匀收缩或局部屈曲导致的推力波动。

3、但是，单个长条气囊仍存在体积变化集中、局部应变大、分区控制能力弱以及局部失效后影响整体加载等问题；气囊在水体中若缺少稳定的顶部定位和定向约束，导致气囊极易发生侧向漂移、翻转、局部鼓胀或加载面姿态波动，进而引起推力波动和水体局部扰动。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种顶部多气囊阵列式气压加载装置及工作方法，解决了现有气压加载装置的气囊极易发生侧向漂移、翻转、局部鼓胀或加载面姿态波动，而引起推力波动和水体局部扰动的问题。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种顶部多气囊阵列式气压加载装置，包括：加载仓和加载组件，所述加载仓的一端设置有水流入口，另一端设置有水流出口；所述加载仓中设置有多个导向结构，多个导向结构设置在加载仓的顶部且沿所述加载仓的长度方向间隔排列，所述加载仓的顶部设置有多个气囊，所述气囊布置在所述导向结构，所述气囊朝向水体侧设置有向下膨胀的囊壁加载面，每个所述气囊的进排气口与所述加载组件连通，所述气囊充气后在水体浮力和顶部固定结构作用下使得气囊顶部始终与所述加载仓的顶部接触，所述囊壁加载面沿所述导向结构限定的方向向水体侧膨胀并挤压水体，驱动水体从所述水流出口流出。

4、作为进一步的实现方式，相邻所述导向结构之间保留间隔空间，所述间隔空间处设置有传感器模块。

5、作为进一步的实现方式，所述加载组件包括气源组件、稳压分配组件和阀控组件；所述稳压分配组件包括总进气管、稳压罐、稳压歧管和支路气管，所述气源组件、总进气管、稳压罐、稳压歧管和支路气管依次连接。

6、作为进一步的实现方式，所述支路气管的数量与所述气囊的数量相同，所述支路气管上还设置有排气管路。

7、作为进一步的实现方式，所述阀控组件包括设置在总进气管上的总进气阀，设置在支路气管上的支路进气阀、设置在排气管路上的支路排气阀，以及设置在水流出口处的排水阀。

8、作为进一步的实现方式，还包括控制组件，所述控制组件分别与传感器模块、总进气阀、支路进气阀、支路排气阀和排水阀建立通讯。

9、作为进一步的实现方式，所述气囊与所述加载仓顶部密封连接，使所述气囊内部气体与所述加载仓内水体隔离。

10、作为进一步的实现方式，所述传感器模块包括压力传感器、超声流速探头、光纤传感器、温度探头、水位探头。

11、第二方面，本发明还提供了一种顶部多气囊阵列式气压加载装置的工作方法，包括以下步骤：

12、关闭加载仓的排水阀和各支路排气阀，向加载仓内注入预定体积水体，确认顶部气囊阵列处于收缩状态，并确认相邻气囊之间的传感器模块处于可采集状态；

13、控制组件打开总进气阀和选定支路进气阀，压缩气体经稳压歧管进入多个顶部气囊；随着气囊内部气体体积增加，气囊在水体浮力趋势和顶部固定结构作用下持续保持于加载仓上部，囊壁加载面沿导向结构限定方向向下稳定膨胀，并直接对其下方水体施加压力；

14、控制组件读取各气囊的支路气管的压力及气囊间传感器模块数据，同时监测气囊位移或形态状态；对压力、位移或形态偏差较大的气囊进行补气或泄气，使多个气囊达到预设的压力均衡和形态稳定条件；

15、打开排水阀或试验段入口阀，加载仓内水体在顶部多气囊阵列的稳定压力作用下从水流出口流出并进入接水盘；由于气囊主体持续处于上部且加载方向受约束，水体受压过程更连续，有利于减少大尺度翻滚和局部回旋；

16、根据流速、压力、水位、温度或气囊形态反馈，控制组件实时调整各气囊充排气量，以维持水流速度、压力及气囊膨胀轮廓稳定；需要局部补偿时，仅调节对应区域气囊，避免无关区域产生附加扰动；

17、关闭各支路进气阀并打开各支路排气阀，多个顶部气囊排气收缩；回流水或加载仓内水压恢复至初始状态，气囊阵列等待下一加载循环。

18、作为进一步的实现方式，所述控制组件支持同步控制模式、分组控制模式和闭环控制模式；

19、在所述同步控制模式下，所述控制组件控制多个所述气囊同时充气，以提供整体加载力；

20、在所述分组控制模式下，所述控制组件控制水流入口处、加载仓中部区域和水流出口处的所述气囊按预设时序依次充气；

21、在所述闭环控制模式下，所述控制组件根据相邻所述气囊之间的所述传感器模块检测到的压力或流速偏差，调节对应所述气囊的阀控组件。

22、与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

23、本发明通过将多个气囊设置于加载仓顶部并形成阵列，可分担加载行程和加载力，降低单个气囊最大应变、局部屈曲及集中变形风险；气囊充气后具有向上浮起的趋势，配合顶部固定结构可使气囊主体在加载全过程中持续保持于加载仓上部，从根本上解决了气囊下沉、翻转和姿态漂移的问题；导向结构约束气囊侧向变形，使囊壁加载面按预定方向稳定膨胀，膨胀轮廓、位移和加载行程更稳定可控；顶部位置稳定且加载方向一致，可减少气囊无序摆动引起的水体大尺度翻滚、回旋和局部剪切，有利于降低流场紊乱、压力脉动及试验噪声。

24、本发明的多个气囊间隔布置，相邻气囊之间的间隔空间可布置传感器模块；传感器模块靠近加载区域，可更准确地反映局部压力、流速和水位变化，有利于实现对加载过程的实时检测与闭环控制，解决了现有装置无法对加载仓内局部区域进行实时检测和闭环调节的问题。

25、本发明的每个气囊配置独立的支路气管和支路阀件，支持对各气囊进行分区独立控制；控制组件根据传感器模块的实时反馈，能够针对局部流量波动、压力损失进行分区补偿调节，克服了现有装置只能整体施加统一压力、加载均匀性差的缺陷；顶部布置同时便于检修、更换和扩展气囊数量。

26、本发明的气囊与加载仓顶部密封连接，使气囊内部气体与加载仓内水体完全隔离，能够降低气体溶解和气泡析出对流场观测的影响；当部分气囊发生泄漏或需要维护时，可关闭对应支路阀并由其余气囊继续提供加载，提高系统冗余性和可靠性。

1.一种顶部多气囊阵列式气压加载装置，其特征在于，包括：加载仓和加载组件，所述加载仓的一端设置有水流入口，另一端设置有水流出口；所述加载仓中设置有多个导向结构，多个导向结构设置在加载仓的顶部且沿所述加载仓的长度方向间隔排列，所述加载仓的顶部设置有多个气囊，所述气囊布置在所述导向结构，所述气囊朝向水体侧设置有向下膨胀的囊壁加载面，每个所述气囊的进排气口与所述加载组件连通，所述气囊充气后在水体浮力和顶部固定结构作用下使得气囊顶部始终与所述加载仓的顶部接触，所述囊壁加载面沿所述导向结构限定的方向向水体侧膨胀并挤压水体，驱动水体从所述水流出口流出。

2.如权利要求1所述的一种顶部多气囊阵列式气压加载装置，其特征在于，相邻所述导向结构之间保留间隔空间，所述间隔空间处设置有传感器模块。

3.如权利要求2所述的一种顶部多气囊阵列式气压加载装置，其特征在于，所述加载组件包括气源组件、稳压分配组件和阀控组件；所述稳压分配组件包括总进气管、稳压罐、稳压歧管和支路气管，所述气源组件、总进气管、稳压罐、稳压歧管和支路气管依次连接。

4.如权利要求3所述的一种顶部多气囊阵列式气压加载装置，其特征在于，所述支路气管的数量与所述气囊的数量相同，所述支路气管上还设置有排气管路。

5.如权利要求4所述的一种顶部多气囊阵列式气压加载装置，其特征在于，所述阀控组件包括设置在总进气管上的总进气阀，设置在支路气管上的支路进气阀、设置在排气管路上的支路排气阀，以及设置在水流出口处的排水阀。

6.如权利要求5所述的一种顶部多气囊阵列式气压加载装置，其特征在于，还包括控制组件，所述控制组件分别与传感器模块、总进气阀、支路进气阀、支路排气阀和排水阀建立通讯。

7.如权利要求1所述的一种顶部多气囊阵列式气压加载装置，其特征在于，所述气囊与所述加载仓顶部密封连接，使所述气囊内部气体与所述加载仓内水体隔离。

8.如权利要求2所述的一种顶部多气囊阵列式气压加载装置，其特征在于，所述传感器模块包括压力传感器、超声流速探头、光纤传感器、温度探头、水位探头。

9.如权利要求2-8任一项所述的一种顶部多气囊阵列式气压加载装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的一种顶部多气囊阵列式气压加载装置的工作方法，其特征在于，所述控制组件支持同步控制模式、分组控制模式和闭环控制模式；