用于巨型海工离心机的超重力场下机载深海环境模拟装置

摘要

本发明公开了一种用于巨型海工离心机的超重力场下机载深海环境模拟装置，包括：吊架、高压密封模型箱和加压组件，高压密封模型箱安装在吊架内，高压密封模型箱内具有箱腔，高压密封模型箱的壁内设有加压口，箱腔的底面上设有土质海床，箱腔内填充有水。加压组件与高压密封模型箱的加压口相连，用于对箱腔内的水加压。根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场下机载深海环境模拟装置，可模拟超过1000米的深海环境和地层深部高应力环境，为海洋能源开发技术以及海洋工程施工与运行关键技术的创新与突破提供一个物理模拟平台。

说明书

技术领域

本发明涉及巨型海工离心机技术领域，尤其是涉及一种用于巨型海工离心机的超重力 场下机载深海环境模拟装置。

背景技术

为了发展海洋经济、开发海洋资源、保障海上安全，需要模拟海洋典型载荷环境，例 如模拟深海环境，模拟深海环境需要同时模拟两个要素：海水深度和自重应力水平。目前 通过深水池模拟的最大水深为40m，迄今还没有实现深海环境的模拟技术。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明的 一个目的在于提出一种用于巨型海工离心机的超重力场下机载深海环境模拟装置，该超重 力场加震装置能够基于离心机实现的超重力场（例如，50-150倍的超重力场），实现超过 1000米的深海海洋环境模拟。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场下机载深海环境模拟装置，包括： 吊架；高压密封模型箱，所述高压密封模型箱安装在所述吊架内，所述高压密封模型箱内 具有箱腔，所述高压密封模型箱的壁内设有加压口，所述箱腔的底面上设有土质海床，所 述箱腔内填充有水；和加压组件，所述加压组件与所述高压密封模型箱的加压口相连，用 于对所述箱腔内的水加压。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场下机载深海环境模拟装置，可模 拟超过1000米的深海环境和地层深部高应力环境，为海洋能源开发技术以及各种海洋工程 施工与运行关键技术的创新与突破提供一个物理模拟平台。

另外，根据本发明上述实施例的用于巨型海工离心机的超重力场下机载深海环境模拟 装置还可以具有如下附加的技术特征：

具体地，所述高压密封模型箱包括箱体和安装在所述箱体的上端以密封所述箱体的箱 盖。从而使得高压密封模型箱结构简单。

在本发明的一些实施例中，所述加压组件包括：柔性囊，所述柔性囊设在所述箱腔的 水中且所述柔性囊的开口端延伸到所述加压口内；流体管，所述流体管与所述柔性囊的开 口端相连，用于从加压流体源向所述柔性囊内供给加压流体或从所述柔性囊内排出加压流 体。从而不仅可保证加压效果，且加压迅速，同时该加压组件结构简单可靠。

进一步地，所述加压组件还包括防护网罩，所述防护网罩设在所述箱腔内且安装到所 述高压密封模型箱的壁上，所述防护网罩的开口部伸入加压口内，所述柔性囊容纳在所述 防护网罩内且所述柔性囊的开口端伸出所述防护网罩。从而可对柔性囊起到保护作用，延 长柔性囊的使用寿命。

可选地，所述吊架的相对两侧分别设有吊架吊耳。从而便于超重力场下机载深海环境 模拟装置的装配。

可选地，所述高压密封模型箱为长方体形状。

具体地，所述加压组件对所述箱腔内的水施加的压力大于10MPa。

在本发明的另一些实施例中，所述加压组件为设在所述箱腔内的活塞。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的超重力场下机载深海环境模拟装置的示意图；

图2为图1所示的超重力场下机载深海环境模拟装置的剖面图；

图3为图2中A部分的放大示意图；

图4为装配有图1所示的超重力场下机载深海环境模拟装置的海工离心机处于未运行 状态时的示意图；

图5为装配有图1所示的超重力场下机载深海环境模拟装置的海工离心机处于运行状 态时的示意图。

附图标记：

巨型海工离心机10000、机架100、转轴101、转臂200、

第一海工吊篮300、第二海工吊篮400、吊架301、

吊架吊耳3011、高压密封模型箱302、箱体3023、

箱盖3024、加压组件303、柔性囊3031、流体管3032、

防护网罩3034、土质海床700、水1200、第一密封圈3025、

第二密封圈3026

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、 “厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、 “外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定 的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示 或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定” 等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可 以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以 是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术 语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下” 可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通 过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上 面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第 二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特 征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考图1-图5描述根据本发明实施例的用于巨型海工离心机10000的超重力场下 机载深海环境模拟装置，其中，其中，在本发明中，超重力场指的是在巨型海工离心机运 行时的离心加速度场，由于此时离心加速度场为重力加速度场的N倍，因此称为超重力场。

如图4和图5所示，巨型海工离心机10000包括机架100、转臂200、第一海工吊篮300 和第二海工吊篮400，转臂200可旋转地安装在机架100的转轴101上，第一海工吊篮300 可上下摆动地连接在转臂200的第一端（如图5所示的左端）上，第二海工吊篮400可上 下摆动地连接在转臂200的第二端（如图5所示的右端）上，第一海工吊篮300内包括超 重力场下机载深海环境模拟装置，第二海工吊篮400可用来模拟海洋风暴过程、海洋波浪 过程、海流过程、海洋地震过程等。

具体地，如图4所示，在重力的作用下，第一海工吊篮300和第二海工吊篮400呈下 垂状态，如图5所示，当转臂200旋转加速直至产生N倍的离心加速度（Ng）时，第一海 工吊篮300和第二海工吊篮400呈水平状态，此时第一海工吊篮300和第二海工吊篮400 由于离心力的作用均位于超重力场下。更具体地，第一海工吊篮300的重量可达到30吨以 承载超重力场下机载深海环境模拟装置中的巨大水体及其重量，N=50-150，即最大离心加 速度可为150g，转臂200的转动半径的范围可为7.0m-9.0m，其中g代表重力加速度。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场下机载深海环境模拟装置，包括： 吊架301、高压密封模型箱302和加压组件303，其中，超重力场下机载深海环境模拟装置 可通过吊架301装配在转臂200的第一端上，在本发明的一些示例中，吊架301的相对两 侧分别设有吊架吊耳3011以便于超重力场下机载深海环境模拟装置的装配。高压密封模型 箱302安装在吊架301内，高压密封模型箱302内具有箱腔，高压密封模型箱302的壁内 设有加压口，箱腔的底面上设有土质海床700，箱腔内填充有水1200。加压组件303与高 压密封模型箱302的加压口相连，用于对箱腔内的水1200加压。在本发明的一些示例中， 高压密封模型箱302可承受10MPa以上的压力，加压组件303可以在超重力场下对箱腔内 的水1200施加超过10MPa以上的压力，箱腔内的水1200的深度可超过1000m。

当超重力场下机载深海环境模拟装置在海工离心机10000的作用下处于超重力场下时， 加压组件303通过加压口对箱腔内的水1200进行加压，从而可在超重力场下实现超过1000 米的深海海洋环境模拟，即可模拟超过1000米的深海环境和地层深部高应力环境，使得超 重力场下机载深海环境模拟装置中的相应点的水压力和自重应力场与现实海洋中的一致， 进而可根据该超重力场下机载深海环境模拟装置，进行深海海底自然灾害、深部地层页岩 气开发过程和开发采气水力劈裂技术研究。

具体地，如图2所示，高压密封模型箱302包括箱体3023和安装在箱体3023上端以 密封箱体3023的箱盖3024，箱体3023和箱盖3024共同限定出用于盛放土质海床700和 水1200的箱腔，从而使得高压模型箱结构简单，便于操作人员往箱腔内盛放土质海床700 和水1200。其中，为了保证高压密封模型箱302的密封性，如图2所示，箱体3023和箱 盖3024之间设有第一密封圈3025。在本发明的一些示例中，如图1和图2所示，高压密 封模型箱302为长方体形状。

如图2和图3所示，在本发明的一些实施例中，加压组件303包括：柔性囊3031 和流体管3032，其中，柔性囊3031设在箱腔的水1200中且柔性囊3031的开口端延伸 到加压口内。流体管3032与柔性囊3031的开口端相连，用于从加压流体源向柔性囊 3031内供给加压流体使得柔性囊3031膨胀变形以对箱腔内的水1200进行加压或从柔 性囊3031内排出加压流体使得柔性囊3031收缩变形以对箱腔内的水1200进行减压。 在本发明的一些示例中，柔性囊3031为橡胶件，加压流体为高压油。从而通过向柔性 囊3031内供给加压流体使得柔性囊3031膨胀变形以对箱腔内的水1200进行加压，可 很快的提高箱腔内的水压，不仅可保证加压效果，且该加压组件303结构简单可靠。

在本发明的一些示例中，如图3所示，流体管3032的底端通过螺钉固定在箱盖3024 上，流体管3032和柔性囊3031的连接处设有第二密封圈3026，从而可提高加压组件 303的密封性以避免加压流体泄露。

进一步地，如图2和图3所示，加压组件303还包括防护网罩3034，防护网罩3034 设在箱腔内且安装到高压密封模型箱302的壁上，防护网罩3034的开口部伸入加压口 内，柔性囊3031容纳在防护网罩3034内且柔性囊3031的开口端伸出防护网罩3034， 其中，防护网罩3034与柔性囊3031的外壁之间限定出的空间内充满水1200，从而可 对柔性囊3031起到保护作用，延长柔性囊3031的寿命。在本发明的一些示例中，如 图2和图3所示，防护网罩3034形成为球壳状，且防护网罩3034上分布有很多细小 孔，防护网罩3034通过螺钉固定在箱盖3024上。

在本发明的另一些实施例中，加压组件303为设在箱腔内的活塞，当然本发明不 限于此，加压组件303还可为其他元件，只要满足可在超重力场下对箱腔内的水1200 进行加压即可。

根据本发明实施例的超重力场下机载深海环境模拟装置主要用于模拟海洋环境下各海 工结构与土质海床的多相、多尺度、多过程物理力学行为和动力相互作用，主要瞄准三大 类迫切需要解决的重大海洋工程科学问题：1）海洋流体-海工结构-海床土体的共同工作问 题；2）海洋自然灾害及工程风险问题；3）海底勘探方法验证和岩土工程评价问题。旨在 研究和解决四大类重大海洋工程关键技术问题：1）深海可燃冰等海洋能源开发核心技术； 2）海洋自然灾害及工程风险控制技术；3）海底勘探与测试仪器设备开发及测评控调技术； 4）深部地层页岩气开发过程和开发采气水力劈裂技术研究，为海洋能源开发技术以及各种 海洋工程施工与运行关键技术的创新与突破提供一个高水平的物理模拟平台。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示 例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者 特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述 不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在 任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况 下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。