并流式深水造流系统及方法.pdf

一种船舶与海洋工程领域的并流式深水造流系统及方法，造流系统包括：六层造流装置，每层造流装置均由驱动水泵、进水管道、出水管道组成，进水管道、出水管道连接水池的两端，六层造流装置依照次序垂向布置在水池外围。造流方法为：在垂向分布于水池深度方向的六层外循环式造流装置中的顶部两层和底部两层中布置有连通管道，通过调节安装在管道上的阀门控制通断，使得造流装置的驱动水泵驱动水的能量在垂向各层造流装置间进行分配，从而制造各种剖面流。本发明能在水池试验中模拟满足试验要求的各种深水流流速剖面，并同时达到降低造价，节约能源的目的。同时，由于系统中设立连通管道沟通上下层的流动，使得水池具备了制造上升流或下降流的能力。

1、  一种并流式深水造流系统，包括：六层造流装置(1、2、3、4、5、6)，其特征在于，六层造流装置(1、2、3、4、5、6)相对独立，每层造流装置均由驱动水泵(7)、进水管道(8)、出水管道(9)组成，进水管道(8)、出水管道(9)连接水池(10)的两端，六层造流装置(1、2、3、4、5、6)依照次序垂向布置在水池(10)外围。

2、  根据权利要求1所述的并流式深水造流系统，其特征是，造流装置(1)和造流装置(6)的出水管道(9)通过并流管道(11)连接在一起，进水管道(8)通过并流管道(13)连接在一起，阀门(12)设置在并流管道(11)上，阀门(14)设置在并流管道(13)上，分别控制它们的连通和断开。

3、  根据权利要求1所述的并流式深水造流系统，其特征是，造流装置(2)和造流装置(5)的出水管道(9)通过并流管道(15)连接在一起，进水管道(8)通过并流管道(17)连接在一起，阀门(16)设置在并流管道(15)上，阀门(18)设置在并流管道(17)上，分别控制它们的连通和断开。

4、  根据权利要求1或者2所述的并流式深水造流系统，其特征是，在造流装置(1)的出水管道(9)上有阀门(19)，进水管道(8)上有阀门(20)；在造流装置(6)的出水管道(9)上有阀门(25)，进水管道(8)上有阀门(26)。

5、  根据权利要求1或者3所述的并流式深水造流系统，其特征是，在造流装置(2)的出水管道(9)上有阀门(21)，进水管道(8)上有阀门(22)；在造流装置(5)的出水管道(9)上有阀门(23)，进水管道(8)上有阀门(24)。

6、  一种如权利要求1所述的并流式深水造流系统的并流式深水造流方法，其特征是，采用垂向分布于水池深度方向的六层外循环式造流装置(1、2、3、4、5、6)，其中的造流装置(1、6)的进出流管道(8、9)通过并流管道(11、13)、造流装置(2、5)的进出流管道(8、9)通过并流管道(15、17)的连通，通过调节安装在管道上的阀门(12、14、16、18、19、20、21、22、23、24、25、26)控制通断，使两层造流装置(1、6或2、5)的驱动水泵(7)驱动水的能量在垂向各层造流装置(1、6或2、5)间进行分配，从而制造各种剖面流。

7、  根据权利要求6所述的并流式深水造流方法，其特征是，当需要在水池表面制造更高流速的时候，关闭阀门进出水管道中的阀门(23、24、25、26)，将并流管道中的阀门(12、14、16、18)开启，这样并流管道(11、13、15、17)都打开，将造流装置(5、6)的驱动水泵(7)分别连接至造流装置(1、2)的管道中，共同驱动造流装置(1、2)水流，这样在水池表面制造更高流速的水流；同时造流装置(3、4)的驱动水泵(7)依旧驱动本层水流，维持从表面流速到底层无流之间过渡所必需的流速梯度。

8、  根据权利要求6所述的深水造流方法，其特征是，当需要在水池中制造均匀的大深度剖面流时，将并流管道中的阀门(12、14、16、18)关闭，这样并流管道(11、13、15、17)都关闭，每层造流装置(1、2、3、4、5、6)的驱动水泵(7)均只驱动本层的水流，这样就能制造较均匀的深水流，需要小幅改变水流流速剖面形状时，只要小幅调解各层造流装置中的驱动水泵(7)的转速，使其驱动的本层水流的流速改变。

9、  根据权利要求6所述的并流式深水造流方法，其特征是，当需要制造上升流时，即从底部流向水面的水流时，关闭阀门进出水管道中的阀门(20、22、23、25)，将并流管道中的阀门(12、14、16、18)开启，这样并流管道(11、13、15、17)都打开，使水流只能从造流装置(1、2)流出水池，从造流装置(5、6)流入水池，这样就制造了水池流入水池的垂向位置差异，从而达到了制造上升流的目的。

10、  根据权利要求6所述的并流式深水造流方法，其特征是，当需要制造下降流时，即从水面流向底部的水流时，关闭阀门进出水管道中的阀门(19、21、24、26)，将并流管道中的阀门(12、14、16、18)开启，这样并流管道(11、13、15、17)都打开，使水流只能从造流装置(1、2)流入水池，从造流装置(5、6)流出水池，这样就制造了水池流入水池的垂向位置差异，从而达到了制造下降流的目的。

并流式深水造流系统及方法
技术领域
本发明涉及一种船舶与海洋工程领域的设备及方法，具体的说，是涉及一种并流式深水造流系统及方法。
背景技术
随着世界能源消耗的不断增长，以及陆上和浅海石油天然气开发的逐渐饱和，人们将油气开发的领域拓展到深海。虽然科技的发展和海洋工程的进步使得人类在深海海洋工程的开发中不断取得进步，但深海的各种复杂海洋环境仍给海洋工程结构物的生产和生存带来极大困难，尤其是深水流在不同深度上有着不同的流速，是深海海洋工程结构物的设计建造中的主要困难之一。为此，需要在海洋工程模型试验中实现对深水流的模拟。即在水池试验中，模拟大深度的，且流速可以随深度不断变化的流。同时，在某些极端环境下，需要模拟上升流或下降流，即水流在水池中不仅有平面运动，还有垂向上的运动。这种流的模拟需要与以往完全不同的造流系统与造流方法。
经对现有技术的文献检索发现，季春群等人发表在《中国海洋平台》1996年04期191-193页上的“海洋工程环境条件模拟”一文中，介绍了上海交通大学现有海洋工程水池的造流系统与方法，该造流方法可以制造空间上流速均匀的浅水流流场，但在制造表面流速很高的表面流或剖面变化的剖面深水流时，需要借助临时架设的局部造流系统辅助才能完成。深水海洋工程模型试验中的剖面流模拟根据试验的要求集中在浅剖面大流速和深剖面均匀流速两个极端情况上。前者要求在水池表面一层产生极高的流速，而对深海处的流速要求不高，而后者要求在深海处和浅海处均产生一样的流速，即从海底至海面均为大小一致的流速，这两个矛盾的要求对造流系统提出了很高的要求。经过研究，采用简单的多层外循环式造流方法也难以同时满足上述两种要求。因为浅剖面大流速要求对于表面层的造流泵具有很大的功率，而深剖面均匀流速则要求所有层的造流泵的功率情况基本一致。如果采用了所有层均采用相同造流能力的方式，只有通过压缩表面层的高度来同时满足二者的要求。这种造流方法可以在一定程度上满足要求，但带来的问题是，当需要模拟表面高流速时，单靠表层的造流泵发出功率来满足要求，其余层的造流泵无法发挥作用，所制造的表面高流速有限，而需要制造大深度均匀流的时候，表层的造流泵无法全部发挥功率，只能以半功率、甚至低于半功率的形式工作，这样造成了各层造流泵单台功率大，设备能力浪费的现象。在进一步的检索中，尚未与本发明主题相同或者类似的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种并流式深水造流系统及方法，使其能够在水池试验中模拟满足试验要求的各种深水流流速剖面，并同时达到降低造价，节约能源的目的。同时，由于系统中设立连通管道沟通上下层的流动，使得水池具备了制造上升流或下降流的能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所述的并流式深水造流系统，由六层造流装置组成，每一层包括：驱动水泵、进水管道、出水管道。进水管道、出水管道连接水池的两端。为达到并流目的，在最上两层进出水管道和最下两层进出水管道间有并流管道连接，并有阀门控制连通与否。进水管道连接驱动水泵和水池的进水端，出水管道由水池的出水端连到驱动水泵。在第一、六层造流装置的进水管道和出水管道间均布置有管道连接，并由阀门控制是否连通。在第二、五层造流装置的进水管道和出水管道间均布置有管道连接，并由阀门控制是否连通。在第一、二、五、六层造流装置的进水管道和出水管道上均安装阀门，由阀门控制是否连通。
本发明所述的并流式深水造流方法是采用上述造流系统实现的，通过并流管道的连通作用和阀门的控制，将水泵驱动地能量在各层间进行不同的分配，从而使系统具备制造各种不同剖面流的能力。具体如下：
①当需要在水池中制造较均匀的大深度剖面流时，将并流管道中的阀门关闭，切断并流管道。每层造流装置驱动水泵只负责驱动本层的水流，这样就可以制造更均匀的深水流。需要小幅改变水流流速剖面形状时，只要调解各层水泵的转速，使其驱动的本层水流的流速改变就可以了。
②当需要在水池表面制造更高流速的时候，通过并流管道将底层造流装置驱动水泵部分连接至上层造流装置的管道中，同时驱动表层水流，这样就可以制造更高流速的表面水流。同样道理，当需要在水池底部制造更高流速的时候，通过管道将上层驱动水泵部分连接至底层造流装置的管道中，同时驱动一层水流，这样就可以制造更高流速的底部水流。
③当需要制造上升流(即从底部流向水面的水流时)，可以通过阀门的关闭和开启，使水流通过并流管道集中从池底的进水管道进入水池，并从对侧池顶部的出水管道流出水池，在水池中形成上升的水流，从而在水池中模拟上升流。同样道理，在水池通过阀门的关闭和开启，使水流通过并流管道集中从池顶的进水管道进入水池，并从对侧池底部的出水管道流出水池，在水池中形成下降的水流，从而在水池中模拟下降流。
本发明将两层的功率并到一层，从而通过集中能量的方法将单台水泵的流量和功率集中起来制造较高的流速，从而在不增加单台功率的情况下制造更高的流速，满足了深海海洋工程试验的要求。本发明还通过阀门的开关制造的水流进出水池的位置差，首次提出了在水池中制造上升流或下降流的方法。本发明为深海海洋工程试验研究提供了关键的技术支持和试验手段，提高了模拟流速、降低了设备造价、减少了能源消耗。
附图说明
图1为本发明系统示意图
图2为本发明制造均匀流速剖面示意图
图3为本发明制造表面高流速剖面示意图
图4为本发明制造上升流示意图
图5为本发明制造下降流示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明的造流系统包括：相对独立的六层造流装置1、2、3、4、5、6，每层造流装置均由驱动水泵7、进水管道8、出水管道9组成，进水管道8、出水管道9连接水池10的两端，六层造流装置1、2、3、4、5、6依照次序垂向布置在水池10外围，造流装置6为最下层，造流装置1为最上层。
造流装置1和造流装置6的出水管道9通过并流管道11连接在一起，进水管道8通过并流管道13连接在一起。阀门12安装在并流管道11上，阀门14安装在并流管道13上，分别控制它们的连通和断开。
造流装置2和造流装置5的出水管道9通过并流管道15连接在一起，进水管道8通过并流管道17连接在一起。阀门16安装在并流管道15上，阀门18安装在并流管道17上，分别控制它们的连通和断开。
在造流装置1的出水管道9上有阀门19，进水管道8上有阀门20。在造流装置2的出水管道9上有阀门21，进水管道8上有阀门22。在造流装置5的出水管道9上有阀门23，进水管道8上有阀门24。在造流装置6的出水管道9上有阀门25，进水管道8上有阀门26。
本发明造流方法是采用垂向分布于水池深度方向的六层外循环式造流装置1、2、3、4、5、6，其中的造流装置1、6的进出流管道8、9通过并流管道11、13、造流装置2、5的进出流管道8、9通过并流管道15、17的连通，通过调节安装在管道上的阀门12、14、16、18、19、20、21、22、23、24、25、26控制通断，使两层造流装置1、6或2、5的驱动水泵7驱动水的能量在垂向各层造流装置1、6或2、5间进行分配，使两层造流装置1、6或2、5的能量既可以通过调节能够集中于某一层制造更高的水流流速又可以通过调节使其分散于两层制造垂向分布较均衡的水流流速，从而在制造各种大差异的剖面流的同时，最大限度的发挥各层驱动水泵7驱动水的能量，增加系统的灵活性，在保证系统功能的同时减少造价。
如图2所示，为本发明制造均匀流速剖面示意图。当需要在水池中制造较均匀的大深度剖面流时，将并流管道中的阀门12、14、16、18关闭，这样并流管道11、13、15、17都关闭(图中用虚线表示关闭的管道，以下同)，造流装置1、2、3、4、5、6的驱动水泵7均只驱动本层的水流，这样就可以制造较均匀的深水流。需要小幅改变水流流速剖面形状时，只要调解各层驱动水泵7的转速，使其驱动的本层水流的流速改变就可以了。
如图3所示，为本发明制造表面高流速剖面示意图。当需要在水池表面制造更高流速的时候，关闭阀门进出水管道中的阀门23、24、25、26，将并流管道中的阀门12、14、16、18开启，这样并流管道11、13、15、17都打开，将造流装置5和6的驱动水泵7分别连接至造流装置1和2的管道中，共同驱动造流装置1、2水流，这样就可以在水池表面制造更高流速的水流。同时造流装置3、4的驱动水泵7依旧驱动本层水流，维持从表面流速到底层无流之间过渡所必需的流速梯度。
如图4所示，为本发明制造上升流示意图。当需要制造上升流时(即从底部流向水面的水流时)，关闭阀门进出水管道中的阀门20、22、23、25，将并流管道中的阀门12、14、16、18开启，这样并流管道11、13、15、17都打开，使水流只能从造流装置1、2流出水池，从造流装置5、6流入水池。这样就制造了水池流入水池的垂向位置差异，从而达到了制造上升流的目的。
如图5所示，为本发明制造下降流示意图。当需要制造下降流时(即从水面流向底部的水流时)，关闭阀门进出水管道中的阀门19、21、24、26，将并流管道中的阀门12、14、16、18开启，这样并流管道11、13、15、17都打开，使水流只能从造流装置1、2流入水池，从造流装置5、6流出水池。这样就制造了水池流入水池的垂向位置差异，从而达到了制造下降流的目的。