海洋力學(xué)模型測試系統(tǒng)
海洋力學(xué)模型測試系統(tǒng)是針對海洋工程、地質(zhì)力學(xué)及環(huán)境模擬研究的專用實驗設(shè)備，主要用于模擬海底土體、結(jié)構(gòu)物與海洋環(huán)境的相互作用。其核心功能包括波浪-海流-土體耦合加載、結(jié)構(gòu)物響應(yīng)監(jiān)測及長期穩(wěn)定性評估。以下是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成、技術(shù)規(guī)范及典型試驗方法：
1. 系統(tǒng)核心組成
（1）模型箱主體
尺寸范圍：
– 小型研究用：1m×1m×0.8m（長×寬×高，適用于局部沖刷試驗）。
– 中型研究用：2mx2mx2
– 工程級：5m×3m×2m（可模擬樁基群或海底管纜相互作用）。
材料：
– 透明強(qiáng)化玻璃（觀察流場，抗壓≥0.5MPa，ASTM C1048）。
– 不銹鋼316L框架（耐海水腐蝕，NORSOK M-001標(biāo)準(zhǔn)）。
– Q235鋼板氧化
（2）環(huán)境模擬模塊
波浪生成系統(tǒng)：
– 類型：伺服作動器。加載能10Kn，25kn、50KN
– 加載方向，三個方向（XYZ）
– 參數(shù)：波高0.1-1.5m，周期1-10s（模擬JONSWAP譜或規(guī)則波）。
海流系統(tǒng)：
– 雙向泵控流速0.01-2m/s（精度±1%，ADCP校準(zhǔn)）。
土體加載單元：
– 靜/動態(tài)加載板（軸向力≤50kN，頻率0-5Hz）。
（3）傳感器陣列
傳感器類型 | 測量參數(shù) | 精度要求 | 安裝位置 |
六自由度力傳感器 | 結(jié)構(gòu)物受力/力矩 | ±0.5% FS | 模型基底或連接件 |
孔隙水壓計 | 土體孔隙壓力 | ±0.1kPa（低頻） | 土體內(nèi)部（網(wǎng)格布設(shè)） |
PIV粒子圖像測速 | 流場速度分布 | 空間分辨率≤1mm | 透明側(cè)窗觀測區(qū) |
光纖應(yīng)變傳感器 | 結(jié)構(gòu)局部變形 | ±2με | 結(jié)構(gòu)表面或土體內(nèi)部 |
2. 典型試驗項目與規(guī)范
（1）海底管道沖刷試驗
模擬條件：
– 流速0.3-1.2m/s（對應(yīng)雷諾數(shù)1×10?~5×10?）。
– 砂土粒徑d??=0.2-2mm（符合DNVGL-RP-F114）。
終止標(biāo)準(zhǔn)：
– 沖刷坑深度≥2倍管徑或平衡狀態(tài)（連續(xù)1h無變化）。
（2）海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)動力響應(yīng)
加載模式：
– 水平循環(huán)荷載（幅值5-20%豎向承載力，頻率0.1-0.5Hz）。
監(jiān)測重點：
– 累積轉(zhuǎn)角（≤0.1°為彈性極限，ISO 19902）。
（3）海底滑坡模擬
觸發(fā)機(jī)制：
– 斜坡角度15-30°，孔隙壓比ru≥0.8時啟動（參考NGI滑坡模型）。
數(shù)據(jù)采集：
– 高速攝像機(jī)（≥500fps）記錄滑移面演化。
3. 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)
模塊 | 參數(shù) | 國際標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) |
波浪模擬 | 波高重復(fù)性±3% | ITTC推薦規(guī)程7.5-02-07 |
土體飽和度控制 | B值≥0.95（Skempton） | ASTM D4767 |
多物理場同步 | 時間同步誤差≤10ms | IEEE 1588精密時鐘協(xié)議 |
長期穩(wěn)定性 | 連續(xù)運行≥720h無漂移 | ISO 1940平衡等級G2.5 |
4. 數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)
軟件平臺：
– LabVIEW或Python開發(fā)，集成Fluent/OpenFOAM流場解析模塊。
控制邏輯：
– PID閉環(huán)調(diào)節(jié)（波浪-海流-土體加載耦合反饋）。
數(shù)據(jù)輸出：
– 原始采樣率≥10kHz，后處理生成應(yīng)力-應(yīng)變-流速時空云圖。
