本发明属于海洋工程装备产业中实验设备节能改造，具体涉及一种基于主动旋转水槽的钝体涡激振动测试装置及方法。
背景技术：
1、当流体流过某个钝体时，会形成周期性的旋涡脱落，这些旋涡会对钝体产生周期性的流体作用力，引起钝体结构的振动。这一现象在实际工程和自然环境中普遍存在，例如高层建筑物、桥梁、海洋管道、风力发电机等结构，都存在风或水流绕过引起的涡激振动现象，严重时会出现结构疲劳损伤。因此，在工程设计中，需要考虑如何减小或抑制结构物振动，这就需要开展大量的钝体涡激振动实验，系统研究钝体振动的特性，并提出有针对性的控制方法，以保障结构的安全性和稳定性。
2、由于要在钝体上游构造稳定的来流以保证测试结果的可靠性，这就需要较长的空间使流场得到充分发展，传统的风洞和循环水槽等测试平台均存在占地面积大、能耗大、成本高等缺点。因此，亟需研制一种占地面积小、能耗小、成本低的钝体涡激振动测试平台，以快速高效开展工程结构的涡激振动测试评价与安全校核。
技术实现思路
1、为解决背景技术所提出的问题，本发明的目的在于提出一种基于主动旋转水槽的钝体涡激振动测试装置及方法。
2、为了实现上述目的，本发明装置采用如下技术方案：
3、一种基于主动旋转水槽的钝体涡激振动测试装置，由支撑系统、旋转系统、测试系统三部分构成。支撑系统包括一个水槽支撑架、一个上部支撑架、两个限位块、两根水平杆、四个电动轮、一个水平滑动台、一个伸缩杆、一个门型吊架、一根模型吊杆、一个模型连接件、四根弹簧和一个激光器底座。水槽支撑架是由多根矩形钢材焊接而成的内外两圈正方形框架结构，两圈框架结构的对应边平行，并且在邻近平行边上的中点通过钢材连接成一个整体，为旋转系统提供支撑。上部支撑架是由多根矩形钢材焊接而成的门形框架结构，上部支撑架高于旋转系统，水槽支撑架与上部支撑架无连接，各自独立，避免装置共振。伸缩杆垂直固定在水平滑动台的中心孔内，四个电动轮安装在水平滑动台底部，放置在上部支撑架左上方，两根水平杆穿过水平滑动台与两侧的两个限位块连接，两个限位块通过螺丝固定在上部支撑架上部，限位块的间距与透明环形水槽的宽度相同，伸缩杆下方安装声学多普勒流速仪，限位块作为安全保护装置，防止声学多普勒流速仪撞到透明环形水槽内壁，通过控制电动轮的滚动调节声学多普勒流速仪的横向位置，通过控制伸缩杆的伸缩长度调节声学多普勒流速仪的垂向位置。在上部支撑架右上方通过螺栓固定一个门型吊架，门型吊架与上部支撑架垂直，门型吊架中间铰接一根模型吊杆，模型连接件通过螺丝固定在模型吊杆的下端，用以连接弹簧和连接下方的钝体模型，四根弹簧处于同一平面且正交连接在上部支撑架上，为钝体模型提供弹性支撑。激光器底座通过螺栓固定在上部支撑架的右侧，激光器底座高度与钝体模型齐平，激光器底座上方固定高能平面激光源。
4、旋转系统包括一个控制终端、一个电动机、一块固定板、一个驱动盘、一个内环形导轨、一个外环形导轨和一个透明环形水槽。电动机通过螺栓固定在固定板下表面，固定板通过螺栓固定在水槽支撑架底部，电动机的转子穿过固定板与驱动盘相连，驱动盘固定安装在透明环形水槽的下表面。内环形导轨和外环形导轨固定在水槽支撑架上表面，驱动盘、内环形导轨、外环形导轨处于同一水平面，并且驱动盘、内环形导轨、外环形导轨均与透明环形水槽下表面具有相同的圆心，在内环形导轨和外环形导轨上方放置透明环形水槽。透明环形水槽的内径小于内环形导轨的直径，透明环形水槽的外径大于外环形导轨的直径。控制终端安装在水槽支撑架的侧面，通过电线与电动机相连，控制终端控制电动机的转速，使透明环形水槽中的水跟随透明环形水槽按照设定的控制速度旋转。
5、测试系统包括一个声学多普勒流速仪、一个钝体模型、两个激光位移传感器、一个高能平面激光源、一个三脚架和一台高速摄像机。声学多普勒流速仪固定在伸缩杆下端，声学多普勒流速仪的探头浸入水中测量透明环形水槽中的水流速度。钝体模型通过螺丝固定在模型连接件下方，通过更换不同形状的钝体模型实现不同工程结构物的涡激振动测试。两个激光位移传感器垂直布置在上部支撑架上且均正对模型吊杆，通过模型吊杆反射的激光测量钝体模型涡激振动的瞬时位移。高能平面激光源通过螺丝固定在激光器底座上，发射出高能平面激光，透明环形水槽内激光面上流体夹带的示踪粒子反光，被透明环形水槽下方的高速摄像机捕捉，高速摄像机安装在三脚架上，通过瞬时图像分析测得示踪粒子的矢量运动速度，实现钝体模型周围的流场监测。
6、利用所述的基于主动旋转水槽的钝体涡激振动测试装置提供一种基于主动旋转水槽的钝体涡激振动测试方法。在模型连接件下方安装好钝体模型，向透明环形水槽内灌注带有示踪粒子的水，给控制终端通电后，设置电动机转速，电动机带动透明环形水槽旋转，进而带动内部流体旋转，形成相对于钝体模型的流动。通过控制终端控制电动轮横向滚动，调节声学多普勒流速仪的横向位置，通过控制终端控制伸缩杆的伸缩长度，调节声学多普勒流速仪的垂向位置，测量透明环形水槽内的流速分布。打开高能平面激光源，调整激光能量强度，调整三脚架位置和高度，使高速摄像机镜头正对钝体模型底部，将高速摄像机连接至电脑，调整高速摄像机镜头的焦距，直至电脑上显示的图像清晰后开始采集钝体模型周围的流场。此外，将两个激光位移传感器连接至电脑，同步采集钝体模型在流向和横向振动位移。通过流场和位移的同步采集，实现钝体涡激振动测试。
7、本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
8、1.本装置可通过调节电动机转速改变透明环形水槽旋转速度，实现透明环形水槽中流体运动速度的调节，进而实现不同流动参数下的钝体涡激振动实验测试，且透明环形水槽用水量少，耗费的粒子少，水体质量小，驱动所需电能较少，能耗较低；
9、2.本装置声学多普勒流速仪的垂向位置可通过伸缩杆调节，横流方向位置可通过电动轮调节，实现透明环形水槽中不同位置的流速测定；
10、3.本装置测试的钝体模型通过模型连接件与弹簧和模型吊杆连接，可通过更换钝体模型实现不同外形、材质的钝体涡激振动实验测试；
11、4.本装置的高能平面激光源可以将透明环形水槽中激光所在平面照亮，流体介质中的粒子反光，被垂直于激光所在平面方向底部的高速摄像机捕捉，实现钝体模型周围流场监测。
1.一种基于主动旋转水槽的钝体涡激振动测试装置，由支撑系统、旋转系统、测试系统三部分构成；支撑系统包括一个水槽支撑架(2)、一个上部支撑架(9)、两个限位块(10)、两根水平杆(11)、四个电动轮(12)、一个水平滑动台(13)、一个伸缩杆(14)、一个门型吊架(16)、一根模型吊杆(17)、一个模型连接件(18)、四根弹簧(19)和一个激光器底座(24)；水槽支撑架(2)是由多根矩形钢材焊接而成的内外两圈正方形框架结构，两圈框架结构的对应边平行，并且在邻近平行边上的中点通过钢材连接成一个整体，为旋转系统提供支撑；上部支撑架(9)是由多根矩形钢材焊接而成的门形框架结构，上部支撑架(9)高于旋转系统，水槽支撑架(2)与上部支撑架(9)无连接，各自独立，避免装置共振；伸缩杆(14)垂直固定在水平滑动台(13)的中心孔内，四个电动轮(12)安装在水平滑动台(13)底部，放置在上部支撑架(9)左上方，两根水平杆(11)穿过水平滑动台(13)与两侧的两个限位块(10)连接，两个限位块(10)通过螺丝固定在上部支撑架(9)上部，限位块(10)的间距与透明环形水槽(8)的宽度相同，伸缩杆(14)下方安装声学多普勒流速仪(15)，限位块(10)作为安全保护装置，防止声学多普勒流速仪(15)撞到透明环形水槽(8)内壁，在上部支撑架(9)右上方通过螺栓固定一个门型吊架(19)，门型吊架(16)与上部支撑架(9)垂直，门型吊架(16)中间铰接一根模型吊杆(17)，模型连接件(18)通过螺丝固定在模型吊杆(17)的下端，用以连接弹簧(19)和连接下方的钝体模型(20)，四根弹簧(19)处于同一平面且正交连接在上部支撑架(9)上，为钝体模型(20)提供弹性支撑；激光器底座(24)通过螺栓固定在上部支撑架(9)的右侧，激光器底座(24)高度与钝体模型(20)齐平，激光器底座(24)上方固定高能平面激光源(23)；旋转系统包括一个控制终端(1)、一个电动机(3)、一块固定板(4)、一个驱动盘(5)、一个内环形导轨(6)、一个外环形导轨(7)和一个透明环形水槽(8)；电动机(3)通过螺栓固定在固定板(4)下表面，固定板(4)通过螺栓固定在水槽支撑架(2)底部，电动机(3)的转子穿过固定板(4)与驱动盘(5)相连，驱动盘(5)固定安装在透明环形水槽(8)的下表面；内环形导轨(6)和外环形导轨(7)固定在水槽支撑架(2)上表面，驱动盘(5)、内环形导轨(6)、外环形导轨(7)处于同一水平面，并且驱动盘(5)、内环形导轨(6)、外环形导轨(7)均与透明环形水槽(8)下表面具有相同的圆心，在内环形导轨(6)和外环形导轨(7)上方放置透明环形水槽(8)；透明环形水槽(8)的内径小于内环形导轨(6)的直径，透明环形水槽(8)的外径大于外环形导轨(7)的直径；控制终端(1)安装在水槽支撑架(2)的侧面，通过电线与电动机(3)相连，控制终端(1)控制电动机(3)的转速，使透明环形水槽(8)中的水跟随透明环形水槽(8)按照设定的控制速度旋转；测试系统包括一个声学多普勒流速仪(15)、一个钝体模型(20)、一个流向激光位移传感器(21)、一个横向激光位移传感器(22)、一个高能平面激光源(23)、一个三脚架(26)和一台高速摄像机(25)；其特征在于：声学多普勒流速仪(15)固定在伸缩杆(14)下端，声学多普勒流速仪(15)的探头浸入水中测量透明环形水槽(8)中的水流速度；通过控制电动轮(12)的滚动调节声学多普勒流速仪(15)的横向位置，通过控制伸缩杆(14)的伸缩长度调节声学多普勒流速仪(15)的垂向位置；钝体模型(20)通过螺丝固定在模型连接件(18)下方，通过更换不同形状的钝体模型(20)实现不同工程结构物的涡激振动测试；流向激光位移传感器(21)和横向激光位移传感器(22)垂直布置在上部支撑架(9)上且均正对模型吊杆(17)，通过模型吊杆(17)反射的激光测量钝体模型(20)涡激振动的瞬时位移；高能平面激光源(23)通过螺丝固定在激光器底座(24)上，发射出高能平面激光，透明环形水槽(8)内激光面上流体夹带的示踪粒子反光，被透明环形水槽(8)下方的高速摄像机(25)捕捉，高速摄像机(25)安装在三脚架(26)上，通过瞬时图像分析测得示踪粒子的矢量运动速度，实现钝体模型(20)周围的流场监测。
2.一种基于主动旋转水槽的钝体涡激振动测试方法，采用如权利要求(1)所述的基于主动旋转水槽的钝体涡激振动测试装置，在模型连接件(18)下方安装好钝体模型(20)，向透明环形水槽(8)内灌注带有示踪粒子的水，给控制终端(1)通电后，设置电动机(3)转速，其特征在于：电动机(3)带动透明环形水槽(8)旋转，进而带动内部流体旋转，形成相对于钝体模型(20)的流动；通过控制终端(1)控制电动轮(12)横向滚动，调节声学多普勒流速仪(15)的横向位置，通过控制终端(1)控制伸缩杆(14)的伸缩长度，调节声学多普勒流速仪(15)的垂向位置，测量透明环形水槽(8)内的流速分布；打开高能平面激光源(23)，调整激光能量强度，调整三脚架(26)位置和高度，使高速摄像机(25)镜头正对钝体模型(20)底部，将高速摄像机(25)连接至电脑，调整高速摄像机(25)镜头的焦距，直至电脑上显示的图像清晰后开始采集钝体模型(20)周围的流场；此外，分别流向激光位移传感器(21)和横向激光位移传感器(22)连接至电脑，同步采集钝体模型(20)在流向和横向振动位移；通过流场和位移的同步采集，实现钝体涡激振动测试。
