用于模拟深海环境的离心模拟试验装置

摘要

本发明提出了一种用于模拟深海环境的离心模拟试验装置，包括旋转臂、与旋转臂相连的立柱、旋转臂端部的吊篮和/或配重箱以及容纳上述部件的基坑。在所述基坑的内侧壁上，对应于所述吊篮和/或配重箱旋转后靠近所述内侧壁的高度上，沿所述内侧壁的周边等间隔设置有多个开口，用于每间隔一段压缩距离释放一部分空气压缩的压力，从而减少由空气压缩所带来的空气阻力，并减轻了由于空气压缩、摩擦所带来的温度升高。本发明所提供的用于模拟深海环境的离心模拟试验装置，其可以提供高g值的模拟环境，从而可以很好的模拟深海环境的岩土特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压力模拟试验装置，特别是一种用于模拟深海环境的 离心模拟试验装置。

背景技术

在海洋资源的开发过程中，需要进行大量的水下作业，例如海底油气开 采，海底隧道建设，海底电缆铺设等，由于海洋深度每增加100m，压力上升 1MPa，因此，需要对深海环境(例如5000m以上深度)下的岩土特性进行深 入研究才能更好的开发完成水下作业任务的深海设备。

土工离心模型试验是岩土工程中广泛应用的研究手段之一。土工离心模 型试验中所采用的离心模拟试验装置是一种大型高速旋转的机械设备，其利 用土工离心机高速旋转产生的离心力模拟重力，在Ng条件下，利用小尺寸 离心模型的应力、应变与原型相同或相似的特性，研究岩土工程相关问题的 应力和变形规律。因此，其是能够提供对深海环境的岩土特性进行深入研究 的有效方法之一。土工离心模型试验机能够提供的g值越高，就越容易模拟 深海环境的岩土特性。

大型土工离心模型试验机通常包括旋转臂、与旋转臂相连的立柱、旋转 臂端部的吊篮和/或配重箱以及容纳上述，其中旋转臂和吊篮为旋转部件。土 工离心模型试验机工作时，旋转臂和吊篮等部件高速旋转所承受的空气阻力 非常巨大，实验所消耗的总功率中，气阻功率消耗所占的比重占绝大部分， 可达80％，因此也就对土工离心模型试验机达到高g值运转造成了很大的阻 碍。

为降低空气阻力，通常的做法是将上述部件设置于封闭的基坑内，一般 认为，当旋转臂和吊篮转动时，会带动基坑内的空气转动，从而不会形成与 转动部件的旋转方向相对的较大的空气流动。另一种极端的做法是将整个基 坑密封抽真空，以减少空气摩擦，但是这样的成本非常高，能耗极大，因此 极少得到采用。

对于第一种方式，虽然理论上基坑中的空气会在旋转部件的高速旋转带 动下一起运动，但是基坑内侧壁边缘的空气的运动速度会趋向于零，基坑的 半径相对旋转部件的转动半径相差越大，基坑内侧壁对空气的迟滞作用越大， 空气速度与旋转部件之间的差值梯度也越小，空气阻力仍然会很大。也就是 说，如果基坑的半径相对旋转部件的转动半径的差值太大，基坑内的空气的 转动速度会越小，基坑的作用也就越小，等同于离心模型试验机在露天情况 下旋转，起不到减少空气阻力的作用。因此，设计时，通常会尽量减少基坑 半径相对旋转部件的转动半径的差值，使旋转臂端部的吊篮和/或配重箱尽量 贴着基坑的内侧壁旋转。但是，这又会带来另一个问题，由于空气的转动速 度毕竟要小于旋转臂的转动速度，因此当离心模型试验机运转时，在吊篮和/ 或配重箱旋转方向的前侧靠近基坑内侧壁的位置会对空气形成很大的压缩作 用，从而又会产生新的阻力因素，这是一个很难解决的矛盾。

另外，由于基坑内的空气与基坑的内侧壁在旋转部件的压缩作用下与基 坑的内侧壁剧烈摩擦，产生巨大的热量，严重影响实验环境的稳定。为解决 基坑内温度升高的问题，CN 102609016 A中提供了一套复杂的冷却系统，其 中既有风冷又有水冷，但是实际上由于离心模型试验机的旋转部件的转速非 常大，风冷系统根本就无法形成贯穿整个基坑的对流，而且冷气需要通过高 压才能进入基坑，并且会增加对旋转部件的阻力。而水冷系统的设备安装控 制需要对整个基坑进行改装，十分复杂，而且水冷系统的运转能耗巨大，成 本很高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于模拟深海环境的离心模拟试验 装置，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于模拟深海环境的离心模拟 试验装置，包括旋转臂、与旋转臂相连的立柱、旋转臂端部的吊篮和/或配重 箱以及容纳上述部件的基坑，所述基坑的横截面为圆形，其中，在所述基坑 的内侧壁上，对应于所述吊篮和/或配重箱旋转后靠近所述内侧壁的高度上， 沿所述内侧壁的周边等间隔设置有多个开口，所述开口具有两个垂直于地面 的开口侧壁，其中一个开口侧壁为平直壁，另一个开口侧壁为弧形壁，所述 平直壁和所述弧形壁与所述基坑的内侧壁相切，所述开口的排气方向与所述 旋转臂的旋转方向同向。

优选地，所述开口中设置有一个可自由转动的活门，所述活门的一侧铰 接于所述弧形壁上，所述平直壁上设置有一个阻挡所述活门向基坑的内侧转 动的平台，所述活门可平面贴合于所述平台的表面上。

优选地，所述开口中设置有一个可自由转动的活门，所述活门的一侧铰 接于所述平直壁上，所述弧形壁上设置有一个阻挡所述活门向基坑的内侧转 动的平台，所述活门可平面贴合于所述平台的表面上。

优选地，所述平台的表面对应于所述活门设置有凸起的密封缓冲橡胶条。

优选地，所述开口中设置有一个可自由转动的风扇，在所述风扇的气流 下风方向设置有一个气流分隔板，所述风扇的转轴垂直于地面，所述气流分 隔板平行于所述风扇的转轴。

优选地，所述风扇为无动力风扇。

优选地，所述风扇的叶片沿所述风扇的转轴方向延伸。

优选地，所述风扇的转轴设置于所述开口的宽度中分线上，所述叶片的 旋转半径为对应于所述转轴位置的开口的宽度的35％-45％。

本发明所提出的用于模拟深海环境的离心模拟试验装置中，沿基坑的内 侧壁的周边等间隔设置有多个开口，用于每间隔一段压缩距离释放一部分空 气压缩的压力，从而减少由空气压缩所带来的空气阻力，并减轻了由于空气 压缩、摩擦所带来的温度升高，因此也就使得其能够更容易实现高g值运行， 从而可更好的模拟深海环境的岩土特性。

另外，本发明还提供了在开口中设置活门的方案，在利用开口释放压力 的同时，可以在不施加任何额外动力的情况下，利用活门达到排放热空气、 防止热空气回流、实现强制对流降温的目的。同样的，本发明还利用风扇和 气流分隔板达到了同样的目的。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范 围。其中，

图1显示的是本发明的用于模拟深海环境的离心模拟试验装置结构示意 图；

图2显示的是根据本发明的一个具体实施例的用于模拟深海环境的离心 模拟试验装置的俯视状态的剖面示意图；

图3显示的是根据本发明的另一个具体实施例的用于模拟深海环境的离 心模拟试验装置的俯视状态的剖面示意图；

图4显示的是根据本发明的另一个具体实施例的用于模拟深海环境的离 心模拟试验装置的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图 说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

参见图1，其中显示的是本发明的用于模拟深海环境的离心模拟试验装 置结构示意图。如图1所示，本发明的用于模拟深海环境的离心模拟试验装 置包括旋转臂1、与旋转臂1相连的立柱2、旋转臂1端部的吊篮31和/或配 重箱32以及容纳上述部件的基坑4，图中吊篮31与配重箱32显示为相同的 形状，实际使用的时候，还可以将配重箱32更换成吊篮31。也就是说旋转 臂1的两端可以各设置一个吊篮31以构成双吊篮的结构；或者旋转臂1的一 端可以为吊篮31，另一端为配重箱32。

正如背景技术部分所述，由于旋转臂1端部的吊篮31和/或配重箱32贴 着基坑4的内侧壁41旋转的时候，会对吊篮31和/或配重箱32旋转方向的 前侧靠近基坑4的内侧壁41的空气形成压缩，从而形成阻力作用并产生巨大 的热量导致基坑4内的温度升高。因此，本发明在基坑4的内侧壁41上，对 应于吊篮31和/或配重箱32旋转后靠近内侧壁41的高度上，沿所述内侧壁 41的周边等间隔设置有多个开口42，用于每间隔一段压缩距离释放一部分空 气压缩的压力，从而减少由空气压缩所带来的空气阻力，并减轻了由于空气 压缩、摩擦所带来的温度升高。

在图1所示示意图中，开口42设定为设置于吊篮31和/或配重箱32旋 转后靠近内侧壁41的高度上，而没有使所述开口42占据基坑4的侧壁41的 整个高度范围，这样做的目的在于，在可以尽量释放压力的情况下可以尽量 缩小开口42的大小，从而维持基坑4内的空气处于一种趋于稳定流场的状态， 因为只有这个高度位置吊篮31和/或配重箱32旋转后才会靠近内侧壁41，才 会产生空气压缩。

另一方面，由于开口42的存在，需要避免空气压力瞬间释放所带来的呼 啸噪音，因此，在图2所示根据本发明的一个具体实施例的用于模拟深海环 境的离心模拟试验装置的俯视状态的剖面示意图中，设定基坑4的横截面为 圆形，开口42具有两个垂直于地面的开口侧壁43、44，其中一个开口侧壁 为平直壁43，另一个开口侧壁为弧形壁44，所述平直壁43和所述弧形壁44 与所述基坑4的内侧壁41相切，并且设定所述开口42的排气方向与所述旋 转臂1的旋转方向同向。本实施例中采用与内侧壁41相切的开口侧壁形式， 并且开口42的排气方向与旋转臂1的旋转方向相同，可以使压缩空气能够很 顺利通过开口42的排气方向排出，从而可以避免产生较大的排气呼啸噪音。 另外，相切的平直壁43基本上不会形成空气冲击，相切的弧形壁44形成的 空气冲击也会很小。

另外，由于基坑4为一般为钢筋混凝土结构，如果两个开口侧壁43、44 均为弧形结构，那么施工的难度会显著增加，因此本发明设置其中一个开口 侧壁为平直壁43，并且，从图2中可见，设置平直壁43之后，开口42会明 显形成一个逐渐敞开的喇叭口，使得空气压力能够得到逐步释放，避免呼啸 噪音以及对出口部件的冲击。

在封闭的基坑4的顶部和/或底部还可以设置用于通入冷气的进气口，在 所述开口42外侧可设置抽气装置，抽气装置用于避免吊篮31和/或配重箱32 转过所述开口42后形成的负压将高温高压空气回吸到所述基坑4，这样高温 高压气体从所述开口42排出后，基坑4的顶部和/或底部设置的进气口与所 述开口42就可以形成良好的对流，从而对基坑4进行良好的降温。

在另一个具体实施例中，如图2所示，在开口42中，设置有一个可自由 转动的活门5，活门5的一侧铰接于弧形壁44上，平直壁43上设置有一个 阻挡活门5向基坑4的内侧转动的平台6，活门5可平面贴合于平台6的表 面上。

在本实施例中，活门5可以在吊篮31和/或配重箱32旋转接近开口42 的位置的时候，在基坑4内部的压缩空气的压力下自由打开，从而在释放压 力的同时，还可以将基坑4内部的高温空气排放出去。基坑4的顶部和/或底 部还可以设置用于通入冷气的进气口，当吊篮31和/或配重箱32旋转离开开 口42的时候，吊篮31和/或配重箱32后侧会形成瞬间负压从而将活门5吸 附贴合于平台6的表面，从而阻止排放出去的高温空气重新被吸附进入基坑 4，从而强制从基坑4的上方吸收空气进行对流，以达到降温的目的。也就是 说，本实施例的上述设置，一方面提供了释放压力的选项，另一方面实现了 降温与强制对流的目的。

当然，本领域技术人员应当理解，活门5也可以铰接在如图2所示的另 一侧的开口侧壁上，亦即开口42中设置有一个可自由转动的活门5，所述活 门5的一侧铰接于所述平直壁43上，所述弧形壁44上设置有一个阻挡所述 活门5向基坑4的内侧转动的平台6，所述活门5可平面贴合于所述平台6 的表面上。

由于活门5需要在闭合时尽量将开口42密封，因此平台6的设置需要正 好能够使得活门5旋转达到平台6的时候，活门5与平台6的表面形成平面 贴合，如图所示。当然，在一个优选实施例中，所述平台6的表面对应于所 述活门5设置有凸起的密封橡胶条(图中未显示)以形成较好的密封效果。 另一方面，由于基坑4内部的旋转部件转速非常快，活门5的开关频率会非 常快，设置凸起的密封橡胶条可以减缓冲击，从而延长活门5的使用寿命。

图2所示实施例中，在利用开口42释放压力的同时，可以在不施加任何 额外动力的情况下，利用活门5达到排放热空气、防止热空气回流、实现强 制对流降温的目的。

在又一个具体实施例中，如图3所示，所述开口42中设置有一个可自由 转动的风扇7，在所述风扇7的气流下风方向设置有一个气流分隔板8，所述 风扇7的转轴垂直于地面，所述气流分隔板8平行于所述风扇7的转轴。

在本实施例中，风扇7和气流分隔板8的设置的作用与前述实施例中的 活门5类似，一方面可以释放压力，一方面可以排放热空气并防止热空气回 流。具体说明如下：当吊篮31和/或配重箱32旋转接近开口42的位置的时 候，基坑4内部的压缩空气的压力通过开口42释放并冲击风扇7，使其转动， 如图3箭头方向所示。此时内部的热空气通过风扇7的转动，会通过气流分 隔板8的一侧流出；当吊篮31和/或配重箱32旋转离开开口42的时候，吊 篮31和/或配重箱32后侧会形成瞬间负压，从而通过气流分隔板8的另一侧 将冷却空气吸入基坑4的内部，从而达到强制换流的目的，降低了基坑4内 的温度。

在一个优选实施例中，所述风扇7为无动力风扇，也就是可以不用任何 额外的动力，完全在基坑4内部的压力作用下运转。

在另一个优选实施例中，所述风扇7的叶片71沿所述风扇7的转轴方向 延伸，如图3所示。这种设置的好处是可以利用叶片71尽量将开口42封闭， 使得热空气能够按照设定的路径沿气流分隔板8的一侧流出，冷空气从气流 分隔板8的另一侧流入，可以到达更好的换流效果。

在又一个优选实施例中，所述风扇7的转轴设置于所述开口42的宽度中 分线上，所述叶片71的旋转半径为对应于所述转轴位置的开口42的宽度的 35％-45％。这种设置的目的是将风扇7设置在开口42的中间，叶片71旋转 覆盖的范围尽量大，可以尽量将开口42封闭，但是也要留出一定的空隙，避 免由于风扇42的转轴安装偏心和叶片71高温变形与开口42的开口侧壁接触 造成事故，也就是说，在本实施例中，优选的叶片71的覆盖范围是风扇7所 在位置的开口42的宽度的70％到90％，使得热空气不至于从风扇7的叶片 71的旋转半径范围两侧溢出，又不至于太过接近开口侧壁而损坏。

同样的，图3所示实施例在利用开口42释放压力的同时，可以在不施加 任何额外动力的情况下，利用风扇7和气流分隔板8达到排放热空气、防止 热空气回流、实现强制对流降温的目的。相对图2所示实施例而言，图3所 示实施例中，风扇7在基坑4内部的高转速气流冲击作用下旋转运动，风扇 7不会如活门5那样频繁开关，因此风扇7的使用寿命要比活门5长很多， 并且也不会产生活门5与平台6接触时的噪音，效果要好得多。

图4显示的是根据本发明的另一个具体实施例的用于模拟深海环境的离 心模拟试验装置的结构示意图。如图4所示，在另一个具体实施例中，旋转 臂1的两个端部设置有相同的吊篮31，所述旋转臂1的两侧对称设置有微调 配重101。在进行土工离心模型试验时，两侧的吊篮31可以装载相同的模型， 这样能够使得旋转臂1两侧的重量相等，所述微调配重101可以是靠近所述 立柱2的丝杠螺母结构，这样，在试验过程中，通过调节所述微调配重101， 可以克服由于零部件的加工、装配误差可能带来的旋转臂1的转动不平衡， 也就能够避免由于旋转臂1的转动不平衡造成的基坑4内的空气流场扰动， 从而可以使得所述用于模拟深海环境的离心模拟试验装置运行到接近1000gt 的模拟环境。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描 述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述 仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解， 并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式 来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范 围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的 等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。