不同形狀振蕩浮子入水沖擊的實(shí)驗(yàn)研究

李 暉，何宏舟，楊紹輝，張 軍

（1.集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.福建省能源清潔利用與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén)361021；3.福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心，福建 廈門(mén) 361021）

不同形狀振蕩浮子入水沖擊的實(shí)驗(yàn)研究

李 暉1,2,3，何宏舟1,2,3，楊紹輝1,2,3，張 軍1,2,3

（1.集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.福建省能源清潔利用與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén)361021；3.福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心，福建 廈門(mén) 361021）

振蕩浮子在波浪能轉(zhuǎn)換裝置中應(yīng)用非常廣泛，在其服役期間，由于較小的設(shè)計(jì)吃水深度或?yàn)榉辣軜O端海況的需要，它們經(jīng)常會(huì)離開(kāi)水面；當(dāng)其再次入水的時(shí)候，浮子底部就會(huì)受到入水沖擊。入水沖擊總是伴隨著巨大的沖擊壓強(qiáng)以及沖擊載荷，會(huì)導(dǎo)致浮子的結(jié)構(gòu)性及疲勞性破壞，從而影響浮子的工作壽命。本文對(duì)錐形、半球形和橫圓柱形三種形狀的浮子入水沖擊過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了浮子表面壓強(qiáng)和沖擊加速度的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：（1）在巨大的水阻力作用下，入水瞬間三種浮子表面壓強(qiáng)急劇上升，迅速達(dá)到最高峰值；之后由于空氣墊的作用，壓強(qiáng)出現(xiàn)二次峰值現(xiàn)象。（2）在空氣墊的作用下，三種浮子的最高壓強(qiáng)峰值均未出現(xiàn)在浮子的最低點(diǎn)處，而是出現(xiàn)在外圍某處。（3）三種浮子在觸水瞬間的加速度均達(dá)到hm/s2的量級(jí)，而后急劇下降，并在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一平衡值并沿其小幅震蕩。（4）橫圓柱形浮子由于其非垂直軸對(duì)稱(chēng)性，其表面壓強(qiáng)和加速度的震蕩更加明顯。

振蕩浮子；入水沖擊；實(shí)驗(yàn)

發(fā)電是波浪能開(kāi)發(fā)利用的主要形式，而作為波浪能發(fā)電系統(tǒng)的一級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置，波浪能采集裝置（Wave Energy Converter，簡(jiǎn)寫(xiě)為WEC）的設(shè)計(jì)和控制至關(guān)重要。在眾多型式的WEC中，振蕩浮子式WEC因?yàn)榫哂心芰哭D(zhuǎn)換效率高、安裝維修方便、成本低、投放點(diǎn)機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展最為活躍。振蕩浮子式WEC的關(guān)鍵部件是漂浮于海面上的浮子，浮子在波浪中受波浪力的作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)而具備動(dòng)能和勢(shì)能，從而將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。浮子采集的能量通過(guò)二級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置，就可以轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)能夠直接利用的機(jī)械能。傳統(tǒng)上，人們對(duì)振蕩浮子形狀的設(shè)計(jì)和對(duì)其運(yùn)行的控制往往只著眼于如何提高波浪能吸收效率，卻忽視了入水沖擊對(duì)浮子的嚴(yán)重影響。實(shí)際上，由于設(shè)計(jì)吃水深度較小，浮子在工作過(guò)程中經(jīng)常會(huì)升離水面，當(dāng)它再次入水的時(shí)候，其底面就會(huì)遭受海水巨大的沖擊載荷，即入水沖擊。此外，在海上風(fēng)暴等極端天氣下，常常需要主動(dòng)將浮子升離水面，以免其受到大風(fēng)浪破壞，這也增加了其再次入水的機(jī)會(huì)，從而產(chǎn)生入水沖擊。入水沖擊的特點(diǎn)是局部壓力高、持續(xù)時(shí)間短，易使振蕩浮子發(fā)生塑性變形和疲勞破壞，影響浮子的工作性能和壽命。因此，在WEC設(shè)計(jì)階段優(yōu)化浮子形狀、制定控制策略時(shí)，就需要將浮子的入水沖擊問(wèn)題納入考慮。由于入水沖擊對(duì)浮子的破壞程度主要以發(fā)生于浮子表面的沖擊壓強(qiáng)和沖擊載荷的大小來(lái)衡量，因此，利用試驗(yàn)手段來(lái)獲得沖擊壓強(qiáng)和沖擊載荷等參數(shù)的分布信息就顯得非常重要。

在物體入水沖擊的實(shí)驗(yàn)研究方面，由于測(cè)量技術(shù)的限制，較早的研究主要集中在物體運(yùn)動(dòng)以及作用于物體上的垂向力[1-2]。近年來(lái)隨著粒子圖像測(cè)速等無(wú)侵入實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，研究者們已經(jīng)可以估算沖擊力以及在沖擊過(guò)程中傳遞給“隆起水體”和“射流”的能量[3]。在振蕩浮子的入水沖擊研究方面，Backer等[4]對(duì)一個(gè)半球和兩個(gè)斜升角不同的錐形體進(jìn)行了入水沖擊實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了對(duì)象底面的壓力分布和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)值明顯高于漸近理論的計(jì)算結(jié)果。Van Nuffel等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了剛性圓柱受到波浪沖擊時(shí)的局部和全局載荷，分析了入水沖擊的壓力特性和最大沖擊載荷發(fā)生的時(shí)機(jī)。Charca等[6]對(duì)一個(gè)矩形夾芯復(fù)合材料試樣進(jìn)行了不同波況下的反復(fù)波浪沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試樣的主要疲勞模式是表面破裂和中心破碎。Van Nuffel等[7]通過(guò)分析波浪沖擊中影響壓力記錄的因素，探討了波浪沖擊載荷定量實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展的原因。然而，在已開(kāi)展的研究中，尚沒(méi)有針對(duì)不同形狀浮子的入水沖擊參數(shù)分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)性分析和對(duì)比的文獻(xiàn)報(bào)道。本文以模型實(shí)驗(yàn)為手段，研究了錐形、半球形和橫圓柱形浮子的入水沖擊過(guò)程，分析了各形狀浮子入水沖擊參數(shù)的分布規(guī)律，并將不同形狀浮子的參數(shù)分布進(jìn)行了全面對(duì)比，以期為振蕩浮子的設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)對(duì)象

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為振蕩浮子入水沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)圖（圖1（a））與實(shí)物圖（圖1（b）），利用該裝置可以進(jìn)行振蕩浮子的自由跌落入水沖擊試驗(yàn)。如圖所示，裝置上端有一個(gè)剛性橫梁，作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的振蕩浮子被固定在橫梁的中部，由“保持和釋放機(jī)構(gòu)”控制?！氨３趾歪尫艡C(jī)構(gòu)”由抓手、氣壓閥和空氣壓縮機(jī)構(gòu)成，空氣壓縮機(jī)提供的壓縮空氣，通過(guò)軟管聯(lián)通氣壓閥，為抓手提供氣壓動(dòng)力。抓手由手動(dòng)氣壓閥控制，當(dāng)其閉合時(shí)抓住浮子；當(dāng)其打開(kāi)時(shí)，釋放浮子。一旦浮子被釋放，其將做自由垂直下落，直至進(jìn)入位于裝置下方的水槽中。由于剛性橫梁可以沿兩個(gè)豎直的軌道滑動(dòng)，因此可以改變浮子的跌落高度，從而得到不同的入水速度，實(shí)驗(yàn)中跌落高度可以在0.5～2 m之間變化。水槽寬1.2 m，水深0.6 m。

圖1 振蕩浮子入水沖擊實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象包括一個(gè)斜升角為45°的錐形浮子、一個(gè)半球形浮子和一個(gè)橫圓柱形浮子，各浮子設(shè)計(jì)圖如圖2所示。浮子模型均由不銹鋼材料制成，壁厚0.01 m。由于實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量浮子入水過(guò)程中作用于其表面的局部壓強(qiáng)，需要在浮子壁面預(yù)留用于安裝壓力傳感器的螺紋孔（簡(jiǎn)稱(chēng)傳感器安裝孔），本研究中傳感器安裝孔的分布主要考慮了以下兩點(diǎn)：（1）將孔分布在不同半徑位置，以獲取盡可能多的局部壓力數(shù)據(jù)；（2）避免安裝孔的過(guò)近分布，以免造成應(yīng)力集中和浮子質(zhì)量分布不均。

圖2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象(浮子)設(shè)計(jì)圖

2 測(cè)量?jī)x器

2.1 壓力傳感器

壓力傳感器安裝于錐體壁面，用于測(cè)量入水過(guò)程中作用于錐體表面的局部壓強(qiáng)。局部壓強(qiáng)的測(cè)量是一個(gè)敏感的過(guò)程，有一些因素會(huì)影響壓強(qiáng)的測(cè)量和記錄。為了獲得較精確的測(cè)量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)滿足以下要求[7]：采用不低于300 kHz的采樣頻率；保證傳感器測(cè)量面與錐體表面平齊；避免溫度波動(dòng)；在每次實(shí)驗(yàn)前吹干對(duì)象表面；在每次實(shí)驗(yàn)前等待水面恢復(fù)完全靜止的狀態(tài)?；谏鲜鲆?，本實(shí)驗(yàn)采用了頻率為500 kHz，最大量程為5 MPa的CJGP-1型壓力傳感器（生產(chǎn)廠家：西安創(chuàng)金電子科技有限公司），如圖3所示。此外，考慮到傳感器直徑過(guò)大有可能造成壓強(qiáng)峰值的位置偏離，本實(shí)驗(yàn)的傳感器直徑限制為0.01 m。各浮子模型的傳感器安裝位置將在后文給出。

2.2 加速度計(jì)

用于測(cè)量沖擊載荷的傳感器是加速度計(jì)。本實(shí)驗(yàn)采用了YD-81D型加速度計(jì)（生產(chǎn)廠家：上海鑄瑞自動(dòng)化科技有限公司），如圖4所示。其量程為100 g，共振頻率為40 kHz。該型加速度計(jì)由檢測(cè)質(zhì)量（敏感質(zhì)量）、支撐、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成，其參考質(zhì)量通過(guò)彈性細(xì)桿與殼體相連，加速度引起的動(dòng)載荷使得細(xì)桿發(fā)生變形，用應(yīng)變電阻感應(yīng)細(xì)桿變形的大小，即可測(cè)量出加速度。由于加速度計(jì)所輸出的電信號(hào)比較微弱，實(shí)驗(yàn)中采用了DHF-7型電荷放大器來(lái)對(duì)加速度計(jì)輸出電信號(hào)進(jìn)行放大，如圖5所示。

圖3 本文實(shí)驗(yàn)所用的壓力傳感器

圖4 加速度計(jì)

圖5 電荷放大器

2.3 數(shù)據(jù)采集

為了采集和處理所測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中采用了PCI8532數(shù)據(jù)采集卡和ART軟件。PCI8532具有4路同步模擬量輸入，當(dāng)只有一路信號(hào)輸入的時(shí)候，采樣頻率可達(dá)20 MHz，當(dāng)四路輸入同時(shí)工作的時(shí)候，每路采樣頻率為5 MHz。ART是PCI8532采集卡所配的軟件包，可以完成數(shù)據(jù)的顯示和處理。

3 實(shí)驗(yàn)流程

圖6所示為振蕩浮子入水沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體示意圖，實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先使用空氣壓縮機(jī)壓縮空氣，形成一定的氣壓，以控制抓手打開(kāi)或關(guān)閉。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置手柄，調(diào)整橫梁在豎直軌道上的位置，直到浮子距離水面的高度達(dá)到需要值（本次實(shí)驗(yàn)取2 m）。打開(kāi)氣壓閥，抓手釋放浮子，浮子做自由落體運(yùn)動(dòng)，垂直落入水中。在浮子開(kāi)始下落時(shí)數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)采集數(shù)據(jù)；待浮子浮上水面，采集卡停止采集數(shù)據(jù)。

圖6 振蕩浮子入水沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 錐形浮子實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1.1 壓強(qiáng) 圖7所示為斜升角為45°的錐形浮子壁面壓力傳感器安裝孔的位置分布圖，其中孔1是錐體頂點(diǎn)，孔2、孔3、孔4、孔5則分散分布在錐體的不同半徑上。

圖7 斜升角45°錐形浮子壁面壓力傳感器安裝孔位置分布示意圖

斜升角為45°的錐形浮子表面各測(cè)量點(diǎn)局部壓強(qiáng)的時(shí)歷曲線如圖8所示。如圖所示，在錐體入水之前，5個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)均在大氣壓（相對(duì)壓強(qiáng)0 Pa）附近小幅震蕩。在錐頂點(diǎn)觸水之后，位于錐頂點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)1的壓強(qiáng)急劇上升，率先達(dá)到壓力峰值32 067 Pa，而后迅速回落至約9 903 Pa，又二次急劇上升至一個(gè)次峰值25 620 Pa，經(jīng)過(guò)約20 ms左右回落至大氣壓附近并持續(xù)小幅震蕩。測(cè)點(diǎn)2在測(cè)點(diǎn)1之后達(dá)到壓強(qiáng)峰值，其峰值為47 700 Pa，比測(cè)點(diǎn)1峰值高出約48.7%；在達(dá)到主峰值后震蕩回落，沒(méi)有較明顯的次峰值，但有較明顯的二次峰值，約65 ms后回落至大氣壓附近并以較明顯的振幅持續(xù)震蕩。測(cè)點(diǎn)3在測(cè)點(diǎn)2之后達(dá)到壓強(qiáng)峰值，其峰值約為53 848 Pa，比測(cè)點(diǎn)2峰值高出約12.9%；在達(dá)到主峰值后回落，約10 ms后達(dá)到一個(gè)很明顯的次峰值約32 982 Pa，又經(jīng)過(guò)兩個(gè)較明顯的二次峰值之后在5 000 Pa左右持續(xù)小幅震蕩。測(cè)點(diǎn)4在測(cè)點(diǎn)3之后達(dá)到壓強(qiáng)峰值，其峰值約為78 815 Pa，比測(cè)點(diǎn)3峰值高出約46.4%；而后急劇下落，約27 ms后達(dá)到次峰值約17 163 Pa，又經(jīng)過(guò)一個(gè)較明顯的二次峰值之后在10 000 Pa左右持續(xù)小幅震蕩。測(cè)點(diǎn)5在測(cè)點(diǎn)4之后達(dá)到壓強(qiáng)峰值，其峰值約為25 575 Pa，比測(cè)點(diǎn)4峰值低約67.6%；而后急劇下落，約10 ms后達(dá)到次峰值約16 541 Pa，之后回落至大氣壓以下并持續(xù)震蕩。

由圖8可以看出：（1）隨著入水深度的增加，測(cè)點(diǎn)1，2，3，4，5依次迅速達(dá)到壓強(qiáng)主峰值，在幾十毫秒內(nèi)回落至一個(gè)平衡值并持續(xù)震蕩。（2）絕大部分測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)在達(dá)到主峰值之后，還會(huì)出現(xiàn)次峰值和二次峰值，并且隨時(shí)間逐漸變?nèi)?。?）最大壓強(qiáng)并非出現(xiàn)在錐頂點(diǎn)，而是出現(xiàn)在遠(yuǎn)離錐頂點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)4位置?，F(xiàn)對(duì)上述現(xiàn)象做簡(jiǎn)要分析：壓強(qiáng)峰值的轉(zhuǎn)移是由于入水深度的增加和入水體速度的減小所致。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，壓強(qiáng)峰值總是出現(xiàn)于錐體表面和水面的交界處，也即射流根處。在該處水被壓縮，并且一部分水體從主水體中分離出來(lái)，形成沿錐體表面噴射的射流。最終射流將離開(kāi)錐體表面，錐表面壓強(qiáng)的波動(dòng)也就此消失。而最大壓強(qiáng)峰值的出現(xiàn)位置和二次壓強(qiáng)峰值的出現(xiàn)主要與空氣墊有關(guān)[5-8]，空氣墊是入水物體和水之間的一層空氣，當(dāng)物體入水時(shí)，有一部分空氣來(lái)不及逃逸，被限制在物體底面和水之間的狹小空間內(nèi)，形成空氣墊。一方面，可壓縮的空氣層使得局部壓力峰值減小并使得沖擊壓力的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。在本文實(shí)驗(yàn)中，由于空氣層主要存在于錐體底面的小區(qū)域內(nèi)，因此可能存在空氣墊的測(cè)點(diǎn)1，2，3位置的壓強(qiáng)峰值較?。ǖ邤?shù)值依次增大），而測(cè)點(diǎn)4的壓強(qiáng)峰值則要大得多。另一方面，空氣層周期性的壓縮和膨脹對(duì)測(cè)量點(diǎn)的壓強(qiáng)產(chǎn)生影響，于是導(dǎo)致了各個(gè)測(cè)點(diǎn)處二次壓強(qiáng)峰值的形成。Lin和Shieh[8]在橫圓柱體入水沖擊實(shí)驗(yàn)中也觀察到了類(lèi)似的現(xiàn)象，他們認(rèn)為這些二次壓強(qiáng)振蕩是由于在入水沖擊之初形成于橫圓柱體底部的空氣墊的周期性壓縮和膨脹造成的。這個(gè)觀點(diǎn)隨后被Van Nuffel等的實(shí)驗(yàn)證實(shí)[5]。

圖8 斜升角45°錐形浮子表面局部壓強(qiáng)時(shí)歷曲線圖

4.1.2 加速度 圖9顯示了被測(cè)錐體入水過(guò)程中的加速度時(shí)歷曲線。由于本實(shí)驗(yàn)中被測(cè)對(duì)象近似視為剛體，因此所有被測(cè)位置點(diǎn)的加速度具有相同的數(shù)值。由圖9可以觀察到，在錐體觸水之前，其方向始終向下，并且保持著重力加速度的數(shù)值（約-10 m/s2）；在錐體與水接觸的瞬間，加速度迅速反向，并且劇烈增至272.9 m/s2，然后振蕩回落，并在約110 ms后回落至18.3 m/s2并在該值附近小幅震蕩。加速度的劇增是由于水的巨大阻力所致，而隨后的震蕩則是由于沖擊造成的水體晃動(dòng)以及浮子本身的結(jié)構(gòu)性震動(dòng)而形成。

圖9 斜升角45°錐形浮子加速度時(shí)歷曲線圖

在入水沖擊過(guò)程中，作用在錐體上的Y方向上的作用力有兩個(gè)，一個(gè)是向下的重力mg（m為錐體質(zhì)量，g為重力加速度），另一個(gè)是向上的沖擊載荷，記為Fimpact。如果已知加速度a，那么作用于錐體的沖擊載荷就可以由牛頓第二定律得出：Fimpact=m(a+g)。顯然，沖擊載荷與浮子質(zhì)量和沖擊加速度有密切關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)中錐形浮子的質(zhì)量約為1.3 kg，因此其所受的最大入水沖擊載荷為342 kN。在毫秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)受到百kN量級(jí)的沖擊載荷，意味著浮子有可能由于沖擊而受到破壞。

4.2 半球形浮子實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 壓強(qiáng) 圖10所示為半球形浮子壁面壓力傳感器安裝孔的位置分布圖，其中孔1位于半球形浮子底面最低點(diǎn)處，孔2和孔3在同一半徑對(duì)稱(chēng)分布，孔4、孔5則分散分布在半球體的不同半徑上。

圖10 半球形浮子壁面壓力傳感器安裝孔位置分布示意圖

半球形浮子表面各測(cè)量點(diǎn)局部壓強(qiáng)的時(shí)歷曲線如圖11所示。與錐形浮子的壓力曲線趨勢(shì)相似，半球形浮子的表面壓強(qiáng)也具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）在入水之前，5個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)均在大氣壓（相對(duì)壓強(qiáng)0 Pa）附近小幅震蕩。（2）在浮子觸水之后，位于最低點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)1的壓強(qiáng)急劇上升，率先達(dá)到峰值，之后測(cè)點(diǎn)2，3，4，5依次達(dá)到壓強(qiáng)峰值，其中測(cè)點(diǎn)1，2，3，4的壓強(qiáng)峰值依次增大（測(cè)點(diǎn)2，3由于對(duì)稱(chēng)分布，曲線非?？拷?，且趨勢(shì)相近），測(cè)點(diǎn)4達(dá)到最大壓強(qiáng)峰值；而測(cè)點(diǎn)5的壓強(qiáng)峰值則最小。各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)的主峰值分別是：51 044 Pa，56 640 Pa，67 242 Pa，75 415 Pa和44 723 Pa。（3）各測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)均有二次峰值出現(xiàn)。（4）在經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間之后，各測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)回落至大氣壓附近小幅震蕩?？梢钥闯觯肭蛐胃∽颖砻鎵簭?qiáng)的分布特點(diǎn)與錐形浮子非常類(lèi)似，因此可以用同樣的原因進(jìn)行解釋?zhuān)诖瞬辉儋樖觥?/p>

值得指出的是，與錐形浮子相比，半球形浮子的測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)主峰值略低（如，前者測(cè)點(diǎn)4的主峰值為78 815 Pa，而后者為75 415 Pa）；另外，半球形浮子的“壓強(qiáng)峰值持續(xù)時(shí)間”比錐形浮子更短（同樣以測(cè)點(diǎn)4為例，前者從主峰值到次峰值的時(shí)間約為27 ms，而后者僅為10 ms），因此各曲線尖峰顯得更加尖銳。這可以從空氣墊角度來(lái)進(jìn)行解釋?zhuān)捎诎肭蝮w比斜升角為45°的錐體更容易捕獲空氣，因此空氣墊對(duì)半球體的作用要更加明顯。空氣墊的緩沖作用使得半球形浮子的表面壓強(qiáng)峰值更低，也使得其二次壓強(qiáng)效應(yīng)更加明顯。

4.2.2 加速度 圖12顯示了被測(cè)半球形浮子入水過(guò)程中的加速度時(shí)歷曲線。與錐形浮子相似，在半球體觸水之前，其始終保持著重力加速度的數(shù)值，觸水之后加速度劇烈增至約358.8 m/s2，然后迅速回落，并在約100 ms后回落至-5 m/s2并在該值附近小幅震蕩?？梢钥闯?，半球形浮子比錐形浮子具有更高的加速度峰值，前者比后者高出約31.8%。

圖11 半球形浮子表面局部壓強(qiáng)時(shí)歷曲線圖

圖12 半球形浮子加速度時(shí)歷曲線圖

4.3 橫圓柱形浮子實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 壓強(qiáng) 圖13所示為橫圓柱形浮子壁面壓力傳感器安裝孔的位置分布圖，其中孔1位于橫圓柱形浮子底面最低點(diǎn)處，孔2和孔3、孔4和孔5為兩組對(duì)稱(chēng)分布點(diǎn)，分散分布在橫圓柱體的不同斜升角處。

圖13 橫圓柱形浮子壁面壓力傳感器安裝孔位置分布示意圖

橫圓柱形浮子表面各測(cè)量點(diǎn)局部壓強(qiáng)的時(shí)歷曲線如圖14所示。橫圓柱形浮子的表面壓強(qiáng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）在入水之前，5個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)均在大氣壓（相對(duì)壓強(qiáng)0 Pa）附近震蕩。（2）在浮子觸水之后，各測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)急劇上升達(dá)到壓力峰值，測(cè)點(diǎn)1，2，3，4，5的壓強(qiáng)主峰值分別是：24 483 Pa，47 109 Pa，56 730 Pa，31 077 Pa和51 998 Pa。（3）除測(cè)點(diǎn)2外，各測(cè)點(diǎn)的二次壓強(qiáng)峰值并不明顯。（4）在經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間之后，各測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)回落至大氣壓附近小幅震蕩。測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3雖為關(guān)于橫圓柱軸心線的對(duì)稱(chēng)分布點(diǎn)，但兩者的壓強(qiáng)時(shí)歷曲線并不完全相同，不僅主峰值大小不同，曲線趨勢(shì)也不盡相同。但是，二者曲線尖峰都很尖銳，意味著峰值持續(xù)時(shí)間較短。同樣地，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5也是對(duì)稱(chēng)分布點(diǎn)，雖然曲線趨勢(shì)不同，但峰值持續(xù)時(shí)間比測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3明顯加長(zhǎng)。

橫圓柱形浮子表面壓強(qiáng)的分布，較之錐形與半球形浮子，規(guī)律性不太明顯。這可能是由于橫圓柱相比于前兩者并不具有垂直軸對(duì)稱(chēng)性，因此在下落時(shí)容易造成擺動(dòng)和位置偏移所致。但仍然可以看出，橫圓柱形浮子的最大壓強(qiáng)峰值56 730 Pa要明顯小于前兩者。另外，隨著測(cè)點(diǎn)所在位置斜升角的增大，壓強(qiáng)曲線的尖銳度變低，也即壓強(qiáng)峰值持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。

圖14 橫圓柱形浮子表面局部壓強(qiáng)時(shí)歷曲線圖

4.3.2 加速度 圖15顯示了被測(cè)橫圓柱形浮子入水過(guò)程中的加速度時(shí)歷曲線。與錐形和半球形浮子相比，橫圓柱體在觸水之后的加速度震蕩更加劇烈，但其加速度峰值145 m/s2則遠(yuǎn)小于前兩者。

4.4 三種形狀浮子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較和分析

4.4.1 壓強(qiáng) 從上文的試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，三種形狀浮子在落水瞬間，其表面局部壓強(qiáng)均會(huì)急劇上升并迅速達(dá)到最高峰值，這顯然是由于浮子急速下落時(shí)受到水的巨大阻力所致。其后，壓強(qiáng)以震蕩形式持續(xù)下落，并在過(guò)程中出現(xiàn)一系列二次峰值，這是由于浮子底面和水面之間的空氣層的周期性膨脹和壓縮所致。值得注意的是，由于空氣墊的緩沖作用，三種浮子的最高壓強(qiáng)峰值均未出現(xiàn)在浮子的最低點(diǎn)處，而是出現(xiàn)在離最低點(diǎn)有一定距離的外圍某處。就本文實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的測(cè)點(diǎn)而言，三種形狀浮子的最高壓強(qiáng)峰值排序從大到小依次是：錐形、半球形、橫圓柱形。需要指出，由于三種浮子的壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)數(shù)目有限，且設(shè)置位置各不相同，上述關(guān)于最高壓強(qiáng)峰值的排序并不具有普適性。另外，三種浮子的壓強(qiáng)峰值持續(xù)時(shí)間也有所不同，錐形浮子的壓強(qiáng)峰值持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于半球形浮子，但橫圓柱形浮子的壓強(qiáng)峰值持續(xù)時(shí)間隨測(cè)點(diǎn)所在位置的斜升角而有明顯變化。

圖15 橫圓柱形浮子加速度時(shí)歷曲線圖

4.4.2 加速度 就剛性浮子的加速度而言，三種形狀浮子的加速度都在其觸水瞬間達(dá)到百m/s2的量級(jí)，而后急劇下降，并在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一平衡值并沿其小幅震蕩。加速度的劇增是由于水的巨大阻力所致，而之后的震蕩則是由于沖擊造成的水體晃動(dòng)以及浮子本身的結(jié)構(gòu)性震動(dòng)而形成。本實(shí)驗(yàn)中錐形浮子的質(zhì)量均在1 kg以上，意味著浮子所受的最大入水沖擊載荷均達(dá)到百kN量級(jí)。在毫秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)受到百kN量級(jí)的沖擊載荷，意味著浮子很有可能由于沖擊而受到破壞。三種形狀浮子的加速度峰值排序從大到小依次是：半球形、錐形、橫圓柱形。需要注意的是，錐形和半球形浮子的加速度時(shí)歷曲線趨勢(shì)非常相近，但橫圓柱形浮子在到達(dá)最高峰值后經(jīng)歷的震蕩比前兩者更劇烈，這是由于橫圓柱形浮子的非軸對(duì)稱(chēng)性所致。

5 結(jié)論

入水沖擊會(huì)造成振蕩浮子式WEC的關(guān)鍵部件——振蕩浮子的疲勞性及結(jié)構(gòu)性破壞，本文對(duì)錐形、半球形和橫圓柱形等三種形狀的浮子入水沖擊過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了浮子表面壓強(qiáng)和沖擊加速度的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）三種形狀浮子入水瞬間在巨大的水阻力作用下，其表面壓強(qiáng)均急劇上升，迅速達(dá)到最高峰值；之后由于空氣墊的作用，壓強(qiáng)出現(xiàn)二次峰值現(xiàn)象。

（2）在空氣墊的作用下，三種浮子的最高壓強(qiáng)峰值均未出現(xiàn)在浮子的最低點(diǎn)處，而是出現(xiàn)在最低點(diǎn)外圍某處。

（3）三種浮子的加速度都在其觸水瞬間達(dá)到百m/s2的量級(jí)，而后急劇下降，并在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一平衡值并沿其小幅震蕩。

（4）與另外兩種浮子相比，橫圓柱形浮子由于其非垂直軸對(duì)稱(chēng)性，其表面壓強(qiáng)和加速度的震蕩更加明顯。

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Experimental Study of the Water Entry Impact on Oscillating Buoys with Different Shapes

LI Hui1,2,3,HE Hong-zhou1,2,3,YANG Shao-hui1,2,3,ZHANG Jun1,2,3
1.College of Mechanical and Energy Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,Fujian Province,China;
2.Fujian Province Key Laboratory of Cleaning Energy Utilization and Development,Xiamen 361021,Fujian Province,China;
3.Fujian Engineering Technology Research Center of Clean Combustion and Efficient Use of Energy,Xiamen 361021,Fujian Province,China

Oscillating buoys have been widely adopted in wave energy converters.During their service period, they may often rise out of the water for some reasons in the cases that they are designed with a small draft or being lifted to avoid extreme seas conditions.Therefore,it is normal for them to be subjected to bottom slamming upon its reentering the water.Bottom slamming,known as water entry impact,is typically associated with large impact pressures and forces which may lead to serious fatigue and structural damage to the buoys and shorten their working lives.In this paper,the water entry impact of buoys in conical,hemispherical and horizontally placed cylindrical shapes is respectively studied with experiments,and the variation of surface pressure and impact acceleration are analyzed,resulting in the main conclusions as follows:(1)The surface pressure of all the three types of buoys rose sharply at the moment of contacting water due to the huge water resistance and quickly reached a peak value;secondary peaks occurred afterwards because of the air bag effects.(2)The peak pressure didn't occur at the lowest point of the buoys'surface,but appeared in the periphery somewhere.(3)At the instant of water entry,the accelerations of all the three types of buoys increased sharply to the order of 100 m/s2,and then declined to an equilibrium value in a short duration.(4)Due to its non-axial symmetry,compared with the other two types of buoys,the horizontally placed cylindrical buoy possesses more obvious oscillations in its surface pressure and acceleration.

oscillating buoy;water entry impact;experiment

P743.2

A

1003-2029（2017）04-0034-08

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.007

2017-04-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51409118）；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014J05062）；福建省教育廳資助科技項(xiàng)目（JA13184）

李暉（1974-），女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楹Ｑ罂稍偕茉撮_(kāi)發(fā)與利用。E-mail:judy.lh@163.com