本发明属于海洋工程领域，具体涉及一种高压海底电缆水动力系数测量装置及其测量方法，包括吊挂组件、强迫振动驱动组件、线位移传感器及拉力传感器，所述吊挂组件包括第一吊挂绳，吊挂组件用以对试验件进行吊挂，所述强迫振动驱动组件与第一吊挂绳配合连接，其通过第一吊挂绳与试验件连接，并用以驱动试验件在垂直方向上运动，所述线位移传感器用以采集试验件的位移数据，所述拉力传感器用以采集试验件所受到的水动力。本发明解决了传统方式测量根据手册和经验公式查找水动力系数精度低，不准确，成本高等问题，建立了海底电缆水动力系数测量装置。
1.一种高压海底电缆水动力系数测量装置，其特征在于包括
吊挂组件，所述吊挂组件包括第一吊挂绳(1)和若干第二吊挂绳(6)，吊挂组件用以对试验件(2)进行吊挂；
强迫振动驱动组件(3)，所述强迫振动驱动组件(3)与第一吊挂绳(1)配合连接，其通过第一吊挂绳(1)与试验件(2)连接，并用以驱动试验件(2)在垂直方向上运动；
线位移传感器(4)，所述线位移传感器(4)用以采集试验件(2)的位移数据；
系泊组件，所述系泊组件包括第一系泊绳(9)、若干第二系泊绳(10)和第二缓冲弹簧(11)，所述第一系泊绳(9)一端用以系泊，另一端用以与第二缓冲弹簧(11)配合连接，所述第二缓冲弹簧(11)用以与所述若干第二系泊绳(10)配合连接，所述若干第二系泊绳(10)用以与试验件(2)配合连接；以及拉力传感器，所述拉力传感器用以采集试验件(2)所受到的水动力，所述拉力传感器包括第一拉力传感器(5)和第二拉力传感器(8)，所述第一吊挂绳(1)通过设置的第一缓冲弹簧(7)与第一拉力传感器(5)配合连接，第一拉力传感器(5)用以与所述若干第二吊挂绳(6)配合连接，所述若干第二吊挂绳(6)用以吊挂试验件(2)，所述第二缓冲弹簧(11)通过第二拉力传感器(8)与所述若干第二系泊绳(10)配合连接。
2.根据权利要求1所述的一种高压海底电缆水动力系数测量装置，其特征在于所述线位移传感器(4)通过设置的延长线(12)与试验件(2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种高压海底电缆水动力系数测量装置，其特征在于所述强迫振动驱动组件(3)包括用以卷绕第一吊挂绳(1)的卷筒(300)和用以驱动卷筒(300)旋转的电机(301)，所述电机(301)能够正反转。
4.一种如权利要求1‑3中任一所述高压海底电缆水动力系数测量装置的测量方法，其特征在于，包括步骤一：通过强迫振动驱动组件(3)带动试验件(2)在垂直方向上以定值做迎流运动，通过拉力传感器采集试验件(2)的垂直方向上受到的总阻力，根据试验件(2)原型尺寸测量并获取试验件(2)在垂直方向上的迎流面积，通过莫里森公式计算得到试验件(2)在垂直方向上的阻力系数；
步骤二：通过强迫振动驱动组件(3)带动试验件(2)在垂直方向上做正弦振荡运动，通过线位移传感器(4)采集试验件(2)的位移数据，通过对位移曲线进行二阶求导得到试验件(2)在垂直方向上的加速度，通过拉力传感器实时采集不同时刻试验件(2)受到的总阻力，再结合莫里森方程计算出惯性力系数和附加质量系数。
5.根据权利要求4所述的一种高压海底电缆水动力系数测量方法，其特征在于所述步骤一的具体测量过程：通过强迫振动驱动组件带动试验件(2)在垂直方向上以定值vr做迎流运动，通过拉力传感器采集试验件(2)的垂直方向上受到的总阻力FD，根据试验件(2)原型尺寸测量并获取试验件(2)在垂直方向上的迎流面积Ap，通过莫里森公式拖曳力项FD＝2
0.5ρCDApvr计算得到试验件(2)在垂直方向上的阻力系数CD，其中ρ为流体密度。
6.根据权利要求5所述的一种高压海底电缆水动力系数测量方法，其特征在于所述步骤二的具体测量过程：通过强迫振动驱动组件(3)带动试验件(2)在垂直方向上做速度vr＝Asinωt的正弦振荡运动，其中A为电缆试样的运动速度幅值，ω为振荡角频率，通过线位移传感器(4)采集试验件(2)的位移数据，通过对位移曲线进行二阶求导得到试验件(2)在垂直方向上的加速度为ar＝Aωcosωt，通过拉力传感器实时采集不同时刻t试验件(2)受到的总阻力FZt，再根据莫里森方程 可计算得到惯性力系数为再根据附加质量系数Cm＝CM‑1计算出Cm数值，其中特征尺寸 V0
一种高压海底电缆水动力系数测量装置及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于海洋工程领域，具体涉及一种高压海底电缆水动力系数测量装置及其测量方法。
背景技术
[0002] 随着我国对新能源需求不断增长，我国海上风电的开发逐步由浅水走向深水。风电因为其具有无污染，可持续性发展、易于获得等优点，越来越成为世界各国所重视发展的清洁能源。
[0003] 海底电缆作为海上风电系统的关键结构，对其下放与敷设过程的控制与操作极其重要。需要预测海底电缆在下放过程中的运动响应与动力响应，并对其所受到的水动力进行分析和计算，准确计算出下放电缆所受载荷，以扩大适用船只的范围，提高作业安全系数。
[0004] 目前关于水动力系数(阻尼系数、附加质量系数)的测量存在以下几个方面的问题：(1)目前测量海底电缆阻力系数都是通过DNV手册或相关的经验公式估算得到，并无成体系的研究测量方法来准确获得电缆的阻力系数。(2)目前测量附加质量系数通常取电缆振荡速度为零的极值点来测算，因为此时的流阻力趋向于零，但在实际情况中流阻力通常是存在的，这使得试验过程并不能真实的模拟实际振荡过程。因此，研发一套精确、高效的海底电缆水动力系数测量装置是非常必要的。
发明内容
[0005] 为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种高压海底电缆水动力系数测量装置及其测量方法技术方案。
[0006] 所述的一种高压海底电缆水动力系数测量装置，其特征在于包括
[0007] 吊挂组件，所述吊挂组件包括第一吊挂绳，吊挂组件用以对试验件进行吊挂；
[0008] 强迫振动驱动组件，所述强迫振动驱动组件与第一吊挂绳配合连接，其通过第一吊挂绳与试验件连接，并用以驱动试验件在垂直方向上运动；
[0009] 线位移传感器，所述线位移传感器用以采集试验件的位移数据；以及
[0010] 拉力传感器，所述拉力传感器用以采集试验件所受到的水动力。
[0011] 所述的一种高压海底电缆水动力系数测量装置，其特征在于所述拉力传感器包括第一拉力传感器，所述吊挂组件还包括若干第二吊挂绳，所述第一吊挂绳用以与第一拉力传感器配合连接，第一拉力传感器用以与所述若干第二吊挂绳配合连接，所述若干第二吊挂绳用以吊挂试验件。
[0012] 所述的一种高压海底电缆水动力系数测量装置，其特征在于所述吊挂组件所述第一吊挂绳通过设置的第一缓冲弹簧与第一拉力传感器配合连接。
[0013] 所述的一种高压海底电缆水动力系数测量装置，其特征在于还包括系泊组件，所述系泊组件包括第一系泊绳、若干第二系泊绳和第二缓冲弹簧，所述第一系泊绳一端用以系泊，另一端用以与第二缓冲弹簧配合连接，所述第二缓冲弹簧用以与所述若干第二系泊绳配合连接，所述若干第二系泊绳用以与试验件配合连接。
[0014] 所述的一种高压海底电缆水动力系数测量装置，其特征在于所述拉力传感器包括第二拉力传感器，所述第二缓冲弹簧通过第二拉力传感器与所述若干第二系泊绳配合连接。
[0015] 所述的一种高压海底电缆水动力系数测量装置，其特征在于所述线位移传感器通过设置的延长线与试验件连接。
[0016] 所述的一种高压海底电缆水动力系数测量装置，其特征在于所述强迫振动驱动组件包括用以卷绕第一吊挂绳的卷筒和用以驱动卷筒旋转的电机，所述电机能够正反转。
[0017] 所述的一种高压海底电缆水动力系数测量方法，其特征在于包括
[0018] 步骤一：通过强迫振动驱动组件带动试验件在垂直方向上以定值做迎流运动，通过拉力传感器采集试验件的垂直方向上受到的总阻力，根据试验件原型尺寸测量并获取试验件在垂直方向上的迎流面积，通过莫里森公式计算得到试验件在垂直方向上的阻力系数；
[0019] 步骤二：通过强迫振动驱动组件带动试验件在垂直方向上做正弦振荡运动，通过线位移传感器采集试验件的位移数据，通过对位移曲线进行二阶求导得到试验件在垂直方向上的加速度，通过拉力传感器实时采集不同时刻试验件受到的总阻力，再结合莫里森方程计算出惯性力系数和附加质量系数。
[0020] 所述的一种高压海底电缆水动力系数测量方法，其特征在于所述步骤一的具体测量过程：通过强迫振动驱动组件带动试验件在垂直方向上以定值Vr做迎流运动，通过拉力传感器采集试验件的垂直方向上受到的总阻力FD，根据试验件原型尺寸测量并获取试验件2
在垂直方向上的迎流面积Ap，通过莫里森公式拖曳力项FD＝0.5ρCDApvr计算得到试验件在垂直方向上的的阻力系数CD，其中ρ为流体密度。
[0021] 所述的一种高压海底电缆水动力系数测量方法，其特征在于所述步骤二的具体测量过程：通过强迫振动驱动组件带动试验件在垂直方向上做速度vr＝Asinωt的正弦振荡运动，其中A为电缆试样的运动速度幅值，ω为振荡角频率，通过线位移传感器采集试验件的位移数据，通过对位移曲线进行二阶求导得到试验件在垂直方向上的加速度为ar＝Aωcosωt，通过拉力传感器实时采集不同时刻t试验件受到的总阻力FZt，再根据莫里森方程可计算得到惯性力系数为 再根据附加质量系数Cm＝CM‑1计算出Cm数值，其中，其中特征尺寸 V0为试验件(2)的体积。
[0022] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0023] 本发明解决了传统方式测量根据手册和经验公式查找水动力系数精度低，不准确，成本高等问题，建立了海底电缆水动力系数测量装置。在保证实验结果高精度的基础上，提高实验效率，降低了实验成本，可获得不同速度下的阻力系数和附加质量系数。准确地预测模拟出水下结构物下放安装过程中的运动响应与动力响应等运动规律，实现水下海底电缆安全、精确安装、下放。提高深水海上作业效率和安全系数，降低作业成本和风险。
附图说明
[0024] 图1为本发明的一种高压海底电缆水动力系数测量装置结构示意图；
[0025] 图2为本发明一种高压海底电缆水动力系数测量装置中强迫振动驱动组件结构示意图；
[0026] 图3为本发明的一种高压海底电缆水动力系数测量方法流程图。
具体实施方式
[0027] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0028] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0029] 如图1、2所示，一种高压海底电缆水动力系数测量装置，包括
[0030] 吊挂组件，所述吊挂组件包括第一吊挂绳1，吊挂组件用以对试验件2进行吊挂；
[0031] 系泊组件，所述系泊组件一端用以试验件2连接，另一端用以系泊于试验水池内的固定物上；
[0032] 强迫振动驱动组件3，所述强迫振动驱动组件3与第一吊挂绳1配合连接，其通过第一吊挂绳1与试验件2连接，并用以驱动试验件2在垂直方向上运动；
[0033] 线位移传感器4，所述线位移传感器4用以采集试验件2的位移数据；以及
[0034] 拉力传感器，所述拉力传感器用以采集试验件2在水动力过程所受到的水动力，包括匀速运动的非惯性力，也称拖曳力和流阻力，还有振荡过程中的惯性力，也称附加质量力。
[0035] 作为优化：所述拉力传感器包括第一拉力传感器5，所述吊挂组件还包括若干第二吊挂绳6，所述第一吊挂绳1用以与第一拉力传感器5配合连接，第一拉力传感器5用以与所述若干第二吊挂绳6配合连接，所述若干第二吊挂绳6用以吊挂试验件2。其中，所述吊挂组件还包括第一缓冲弹簧7，所述第一缓冲弹簧7的两端分别用以与第一吊挂绳1和第一拉力传感器5配合连接。所述若干第二吊挂绳6对称系于试验件2周围，保证试验件2只有垂直方向一个自由度而不会发生旋转，进而保证拉力传感器和线位移传感器4测量的仅是垂直方向的运动参数。
[0036] 作为优化：本发明的测量装还包括系泊组件，所述系泊组件包括第一系泊绳9、若干第二系泊绳10和第二缓冲弹簧11，所述第一系泊绳9一端用以与试验水池的固定物系泊，另一端用以与第二缓冲弹簧11配合连接，所述第二缓冲弹簧11用以与所述若干第二系泊绳10配合连接，所述若干第二系泊绳10用以与试验件2配合连接。
[0037] 进一步地，所述拉力传感器包括还第二拉力传感器8，所述第二缓冲弹簧11通过第二拉力传感器8与所述若干第二系泊绳10配合连接。
[0038] 在上述结构中，所述若干第二系泊绳10对称系于试验件2周围，同样保证试验件2只有垂直方向一个自由度而不会发生旋转，进而保证拉力传感器和线位移传感器4测量的仅是垂直方向的运动参数。当试验件2自重够大时，可不安装系泊组件。
[0039] 作为优化：所述线位移传感器4通过设置的延长线12与试验件2连接。
[0040] 在上述结构中，使用时，先给线位移传感器4一定的初始值，以是延长线12全程绷直。此外，当试验件2的移动距离较短时，可以直接将线位移传感器4的感应头固定在试验件上进行位移测量。
[0041] 作为优化：所述强迫振动驱动组件3包括用以卷绕第一吊挂绳1的卷筒300和用以驱动卷筒300旋转的电机301，所述电机301能够正反转。减速箱302、离合器303。其中，所述强迫振动驱动组件3还包括减速箱302和离合器303，所述减速箱302一端与电机300的输出轴传动配合，另一端与离合器303配合连接，所述离合器303与卷筒300配合连接。所述电机300为伺服电机。
[0042] 此外，本发明还配备一控制箱和数据采集系统，使用时，设定一个试验件2振荡的运动函数，利用控制箱将此运动规律以脉冲信号的形式发送至电机301，可以通过控制脉冲频率来控制电机301转动的速度和加速度，从而达到定位和调速的目的。所述数据采集系统主要负责对所有实验数据的采集和存储。
[0043] 如图3所述，一种高压海底电缆水动力系数测量方法，包括
[0044] 步骤一：通过强迫振动驱动组件3带动试验件2在试验水池中垂直方向上以一定值做迎流运动，通过拉力传感器采集试验件2的垂直方向上受到的总阻力，根据试验件2原型尺寸测量并获取试验件2在垂直方向上的迎流面积，通过莫里森公式计算得到试验件2在垂直方向上的阻力系数；
[0045] 步骤二：通过强迫振动驱动组件3带动试验件2在垂直方向上做正弦振荡运动，通过线位移传感器4采集试验件2的位移数据，通过对位移曲线进行二阶求导得到试验件2在垂直方向上的加速度，通过拉力传感器实时采集不同时刻试验件2受到的总阻力，再结合莫里森方程计算出惯性力系数和附加质量系数。
[0046] 作为优化：所述步骤一的具体测量过程：通过强迫振动驱动组件带动试验件2在垂直方向上以定值Vr做迎流运动，通过拉力传感器采集试验件2的垂直方向上受到的总阻力FD，根据试验件2原型尺寸测量并获取试验件2在垂直方向上的迎流面积Ap，通过莫里森公式2
拖曳力项FD＝0.5ρCDApvr计算得到试验件2在垂直方向上的的阻力系数CD，其中ρ为流体密度。
[0047] 作所述步骤二的具体测量过程：将试验设备依次连接到位，保证水面静止没有波动，将线位移传感器4按要求与试验件2表面连接，并在垂向方向上安装拉力传感器。将试验件2连接悬挂于两个拉力传感器的中部，通过对称分布的第二吊挂绳6调整试验件2的方位姿态然后固定使之保持不动，调整好试验件2底部距离水面的高度，尽量保证试验件2底部与水面平行，最后打开数据采集系统进行初始化和采集频率设置；然后，沿垂直方向将实验的试验件2提起到指定位置，之后通过强迫振动驱动组件3带动试验件2在垂直方向上做速度Vr＝Asinωt的正弦振荡运动，其中A为电缆试样的运动速度幅值，ω为振荡角频率，通过线位移传感器4采集试验件2的位移数据，通过对位移曲线进行二阶求导得到试验件2在垂直方向上的加速度为ar＝Aωcosωt，通过拉力传感器实时采集不同时刻t试验件2受到的总阻力FZt，再根据莫里森方程 可计算得到惯性力系数为再根据附加质量系数Cm＝CM‑1计算出Cm数值，其中，其中特征尺寸
V0为试验件2的体积。
[0048] 根据上述测量方法，进一步可得到：试验件2在竖直方向上的附加质量m′＝CmρV0。
[0049] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
