海洋力学模型测试系统
海洋力学模型测试系统是针对海洋工程、地质力学及环境模拟研究的专用实验设备，主要用于模拟海底土体、结构物与海洋环境的相互作用。其核心功能包括波浪-海流-土体耦合加载、结构物响应监测及长期稳定性评估。以下是系统的关键组成、技术规范及典型试验方法：
1. 系统核心组成
（1）模型箱主体
尺寸范围：
– 小型研究用：1m×1m×0.8m（长×宽×高，适用于局部冲刷试验）。
– 中型研究用：2mx2mx2
– 工程级：5m×3m×2m（可模拟桩基群或海底管缆相互作用）。
材料：
– 透明强化玻璃（观察流场，抗压≥0.5MPa，ASTM C1048）。
– 不锈钢316L框架（耐海水腐蚀，NORSOK M-001标准）。
– Q235钢板氧化
（2）环境模拟模块
波浪生成系统：
– 类型：伺服作动器。加载能10Kn，25kn、50KN
– 加载方向，三个方向（XYZ）
– 参数：波高0.1-1.5m，周期1-10s（模拟JONSWAP谱或规则波）。
海流系统：
– 双向泵控流速0.01-2m/s（精度±1%，ADCP校准）。
土体加载单元：
– 静/动态加载板（轴向力≤50kN，频率0-5Hz）。
（3）传感器阵列
传感器类型 | 测量参数 | 精度要求 | 安装位置 |
六自由度力传感器 | 结构物受力/力矩 | ±0.5% FS | 模型基底或连接件 |
孔隙水压计 | 土体孔隙压力 | ±0.1kPa（低频） | 土体内部（网格布设） |
PIV粒子图像测速 | 流场速度分布 | 空间分辨率≤1mm | 透明侧窗观测区 |
光纤应变传感器 | 结构局部变形 | ±2με | 结构表面或土体内部 |
2. 典型试验项目与规范
（1）海底管道冲刷试验
模拟条件：
– 流速0.3-1.2m/s（对应雷诺数1×10?~5×10?）。
– 砂土粒径d??=0.2-2mm（符合DNVGL-RP-F114）。
终止标准：
– 冲刷坑深度≥2倍管径或平衡状态（连续1h无变化）。
（2）海上风机基础动力响应
加载模式：
– 水平循环荷载（幅值5-20%竖向承载力，频率0.1-0.5Hz）。
监测重点：
– 累积转角（≤0.1°为弹性极限，ISO 19902）。
（3）海底滑坡模拟
触发机制：
– 斜坡角度15-30°，孔隙压比ru≥0.8时启动（参考NGI滑坡模型）。
数据采集：
– 高速摄像机（≥500fps）记录滑移面演化。
3. 系统关键技术指标
模块 | 参数 | 国际标准依据 |
波浪模拟 | 波高重复性±3% | ITTC推荐规程7.5-02-07 |
土体饱和度控制 | B值≥0.95（Skempton） | ASTM D4767 |
多物理场同步 | 时间同步误差≤10ms | IEEE 1588精密时钟协议 |
长期稳定性 | 连续运行≥720h无漂移 | ISO 1940平衡等级G2.5 |
4. 数据与控制系统
软件平台：
– LabVIEW或Python开发，集成Fluent/OpenFOAM流场解析模块。
控制逻辑：
– PID闭环调节（波浪-海流-土体加载耦合反馈）。
数据输出：
– 原始采样率≥10kHz，后处理生成应力-应变-流速时空云图。
