一种研究立柱-网衣结构耦合水动力特性的试验装置

1.本发明涉及船舶与海洋工程领域，尤其涉及一种用于研究深远海养殖装备立柱-网衣结构耦合水动力特性的试验装置。


背景技术：

2.近几年网箱养殖行业迅猛发展，国内也开始着手对网箱的研究。由于近海养殖空间的限制和愈发严重的环境问题，海水养殖逐渐向深海领域推进。半潜式养殖装备作为一种典型的深远海养殖装备，其结构特征为整体刚性框架和多网片的组合结构。对其在海洋环境中的具体水动力特性的研究仍然有限，目前对于网箱的水动力计算一般是将外部框架和网衣结构分开求解，然后叠加得到整体结构受力，并未考虑到框架与网衣之间的水动力相互影响。国内外的网箱框架大多为圆柱型结构，从局部来看，整个网箱框架是由若干个网衣-立柱-网衣结构组成，所以了解立柱-网衣结构的耦合水动力特性是当下的研究热点。
3.在研究网衣结构的水动力特性中，模型试验是非常关键的研究方法。通常情况下对于网衣水动力的研究一般分为流场和受力的测量，即研究水流经过网衣结构前后流场的变化以及网衣受力的变化。所要用到的设备为力传感器和piv测量仪。目前国内外使用的模型装置都以单网衣装置为主，装置简单，易于安装，但是考虑到更多网衣参数和环境变量，如网衣与流的夹角、多网衣系统、网衣与其他结构的组合等，这些网衣装置则不能满足这些试验条件。因此，在研究立柱-网衣结构的水动力特性中，需要一种具有更多功能的试验装置来满足所需的试验工况。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于研究深远海养殖装备立柱-网衣结构耦合水动力特性的新型试验装置。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过模块化、可拆卸式的设计，实现立柱结构和网衣结构的多种组合，以便于在研究立柱-网衣结构的水动力特性中，提供一种具有更多功能的试验装置来满足所需的试验工况。
6.为实现以上目的，本发明提供了一种研究立柱-网衣结构耦合水动力特性的试验装置，其特征在于，包括整体支撑框架、网衣角度调节装置、网衣移动装置、伸缩杆、六分力传感器、连接杆、网衣框架、网衣和立柱；所述整体支撑框架为框架式结构，对所述实验装置起支撑作用；所述网衣角度调节装置的一端与所述网衣移动装置固定连接，另一端与所述伸缩杆固定连接，通过所述网衣角度调节装置可以精确地调整所述网衣之间的夹角；所述网衣移动装置设置于所述整体支撑框架上并可在所述整体支撑框架上进行移动；所述伸缩杆与所述六分力传感器固定连接；所述六分力传感器与所述连接杆固定连接；所述连接杆与所述网衣框架固定连接；所述网衣固定于所述网衣框架中；所述立柱的两端分别与所述连接杆固定连接。
7.进一步地，所述整体支撑框架由铝合金框架组成，上端的长度方向较长，两端伸出
的横梁可横置于水槽之上，用于悬挂式放置，底部设有脚垫，可用于坐底式放置。
8.进一步地，所述网衣角度调节装置在每个所述网衣框架的顶部和底部各有一套，并配备有角度盘，可以精确地调整两个所述网衣之间的夹角，所述网衣角度调节装置还包括套环，所述套环与所述伸缩杆相配合，所述伸缩杆在所述套环内可以旋转，所述套环与所述网衣移动装置通过可松紧的螺纹固定连接，从而实现旋转功能。
9.进一步地，在每个所述网衣框架的顶部和底部各设有一套所述网衣移动装置，所述网衣移动装置包括滑动梁、滑动板和滑块，所述滑动梁与所述整体支撑框架之间通过可拧紧的螺栓固定连接，所述滑动板通过嵌入在所述滑动梁凹槽内的所述滑块和螺栓固定在所述滑动梁上，通过移动所述滑动梁和所述滑动板来实现对所述网衣的移动。
10.进一步地，所述伸缩杆由若干直径依次减少的空心圆杆制成，嵌套的所述空心圆杆之间可以互相运动并通过螺栓进行固定，所述伸缩杆在靠近所述网衣角度调节装置一端的顶端设有指示箭头，用于显示当前的角度。
11.进一步地，所述六分力传感器可以测量当前状态下三个方向的受力以及弯矩，在所述网衣框架和所述立柱的顶部和底部各装配一个，所述六分力传感器的两端通过螺栓分别与所述伸缩杆和所述连接杆固定连接。
12.进一步地，所述网衣框架由不锈钢制成，框架的横截面为圆形以减小对周围流态的影响，框架内侧设有小孔用来固定所述网衣。
13.进一步地，所述网衣由树脂材料3d打印而成，也可由其他材料代替。
14.进一步地，还包括导流结构，所述导流结构设置为包裹在所述整体支撑框架的水下部分上，所述导流结构通过流线型的设计来减少杆件附近的水流变化对网衣-立柱结构水动力的影响。
15.进一步地，所述立柱为空心不密封结构，通过上下两端的螺孔与所述连接杆固定连接。
16.与传统方法和装置相比，本发明具备以下有益效果：
17.本发明是在测量立柱-网衣结构的水动力实验中，基于模块化、可拆卸式的设计，将立柱结构和网衣结构进行组合。实现了网衣角度可调、位置可调的功能，能适应多种工作条件，可以通过更改装置的放置方式适应不同的试验地点；通过改变伸缩杆长度实现对不同尺寸网衣框架的固定，使网衣试验的工况有极高的可扩展性。在实际试验中，基于三种工况，即同时安置网衣和立柱，只安置网衣和只安置立柱来实现网衣与立柱之间的水动力相互影响的研究。
18.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
19.图1为本发明的一个较佳实施例的正面结构示意图；
20.图2为本发明的一个较佳实施例的立体结构示意图；
21.图3为本发明的一个较佳实施例的网衣角度调节装置示意图；
22.图4为本发明的一个较佳实施例的底端网衣移动装置示意图；
23.图5为本发明的一个较佳实施例的上方网衣移动装置示意图。
24.其中，1-整体支撑框架，2-网衣角度调节装置，3-网衣移动装置，4-伸缩杆，5-六分力传感器，6-连接杆，7-网衣框架，8-网衣，9-导流结构，10-立柱。
具体实施方式
25.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
26.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明针对用于研究深远海养殖装备立柱-网衣结构耦合水动力特性的新型试验装置，目的是提供一种有更多功能的试验装置来满足立柱-网衣组合结构试验所需的工况。
29.在实际测量立柱-网衣结构的水动力过程中，整个装置放置于循环水槽内，网衣和立柱结构均浸没于水面以下一定高度来避免自由液面的影响。同时安装在装置前方的毕托管，与网衣、立柱连接的力传感器和piv测量仪能够实现对整个流场、流速、网衣和立柱受力的测量。该装置主要由整体支撑框架、网衣角度调节装置、网衣移动装置、伸缩杆、六分力传感器、连接杆、网衣框架、网衣、导流板、立柱等组成。其中整体支撑框架有两种支撑方式，可以通过坐底式和悬挂式来放置试验装置；网衣角度调节装置通过网衣移动装置与整体支撑框架相连，可以在支撑框架上进行移动，网衣角度调节装置装有显示角度的刻度盘，通过控制螺丝的松紧来对连接网衣的杆进行旋转操作；伸缩杆连接网衣角度调节装置和六分力传感器，通过伸缩杆长度的调节可用于不同尺寸网衣框架的固定；六分力传感器用于测量网衣和立柱的受力；网衣框架用于固定网衣并与整个装置连接；导流结构通过流线型的设计来减少杆附近的水流变化对网衣-立柱结构水动力的影响。
30.本发明是通过以下技术方案实现的，如图1所示，本发明的装置包括：整体支撑框架1、网衣角度调节装置2、网衣移动装置3、伸缩杆4、六分力传感器5、连接杆6、网衣框架7、网衣8、导流结构9、立柱10。其中：整体支撑框架1是整个网衣试验装置的固定支架，通过网衣移动装置3与内部的网衣结构相连接；网衣角度调节装置2是实现两个网衣夹角改变功能的重要模块，它在每个网衣框架的顶部和底部各有一套装置，一端固定于网衣移动装置3，另一端通过伸缩杆4与网衣框架7相连接；伸缩杆4连接网衣移动装置3和六分力传感器5；连接杆6连接六分力传感器5和网衣框架7；网衣8固定于网衣框架7中；导流结构9设置为包裹在整体支撑框架1的水下部分上；立柱10的两端与连接杆6固定连接。
31.整体支撑框架1由铝合金框架组成，上端的长度方向较长，两端伸出的横梁可横置于水槽之上，用于悬挂式放置，底部设有若干脚垫，可用于坐底式放置。
32.如图3所示，网衣角度调节装置2在每个网衣的顶部和底部各有一套，并配备有角度盘，可以精确地调整两个网衣之间的夹角，网衣角度调节装置2包括套环，套环与伸缩杆4
相互配合，伸缩杆4在套环内可以旋转，套环则通过可松紧的螺丝固连在网衣移动装置3的滑动板上，从而实现旋转功能。
33.如图4、图5所示，网衣移动装置3由滑动梁、滑动板和滑块组成，在顶部和底部各设有一套，滑动梁通过可拧紧的螺栓固定于整体支撑框架1的主横梁上，滑动板通过嵌入在滑动梁凹槽内的滑块和螺栓固定在滑动梁上。通过移动滑动梁以及和网衣角度调节装置2固连在一起的滑动板来实现网衣的移动。
34.伸缩杆4由若干直径依次减少的空心圆杆制成，嵌套的空心圆杆之间可以互相运动，并通过螺栓进行固定，顶部的伸缩杆顶端带有指示箭头，来显示当前的角度，尾端与六分力传感器5相连。
35.六分力传感器5可以测量当前状态下三个方向的受力以及弯矩，在网衣框架7和立柱10的顶部和底部各装配一个，通过螺栓与伸缩杆4和连接杆6相连接。
36.连接杆6由实心细铁杆制成，具有一定刚度，尾端带有螺丝孔，与网衣框架7进行固定连接。
37.网衣框架7由不锈钢制成，框架横截面为圆形以减小对周围流态的影响。框架内侧设有小孔，用来固定网衣8。
38.网衣8由树脂材料3d打印而成，也可由其他材料代替。
39.如图2所述，导流结构9可细分为包裹在支撑框架1的四根立柱上的流线型导流板和包裹住支撑框架1所有底部框架的流线型橡胶导流条，导流结构9通过流线型的设计来减少杆件附近的水流变化对网衣-立柱结构水动力的影响。
40.立柱10为空心不密封结构，通过上下两端的螺孔与连接杆6固定连接。
41.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。