可精准控制上浮下潜的混凝土浮筒

1.本发明涉及海洋漂浮结构技术领域，尤其涉及一种可精准控制上浮下潜的混凝土浮筒。


背景技术：

2.大型海洋漂浮结构在海上服役运营期间，不可避免地遭受强台风、海啸、碰撞等威胁，对漂浮结构造成严重破坏甚至损毁。在国内外，浮平台工程的使用已经在商业与军用方向都有了相当数量的实例，例如日本的海上羽田机场的megafloat(超大型浮体构造物)和新加坡的浮式表演平台。这些浮体平台大多建造在近海或台风、海啸不常发生的地方或港湾内，环境水域波浪不大，因而没有这些极端海况下生存要求。但是，对于深远海工程应用，能否妥善应对这些极端海况下的威胁直接影响大型浮体平台的安全服役和长期自我生存。
3.由于，目前已建成的浮体结构均没有抵御极端海况的能力。因此为了提升大型浮体结构的服役安全和寿命，实现长期自我生存，亟需设计一种混凝土浮筒及上浮下潜的控制方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可精准控制上浮下潜的混凝土浮筒。
5.为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：提供一种混凝土浮筒，包括：
6.工作区，所述工作区设于于整体结构的最顶端；
7.气液置换部，所述气液置换部内设有一配重空腔，所述配重空腔通过流进/流出海水以对所述混凝土浮筒进行配重；
8.设备部，所述设备部设于所述气液置换部下侧，且所述设备部内设有气液交换设备，所述气液交换设备包括：第一气泵及第二气泵：所述第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒下潜；所述第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒上浮；
9.还包括让海水流进/流出所述配重空腔的通道。
10.所述气液置换部和设备部均为轴对称中心结构。
11.所述通道设于所述设备部的轴对称中心处，且所述通道的上端与所述配重空腔连通，所述通道的下端延伸至所述设备部的下端并与外界的海水连通。
12.还包括平衡圆盘结构，所述平衡圆盘结构用于所述混凝土浮筒在漂浮时保持平衡，所述平衡圆盘结构设于所述气液置换部或设备部的下侧，所述平衡圆盘结构设有过中心轴的若干根钢管轨道，所述若干根钢管轨道将所述平衡圆盘结构进行等分为若干个扇形，且每根所述钢管轨道均滑动地设有具有挂钩的配重块，所述挂钩可在所述钢管轨道上移动，且所述平衡圆盘结构整体可旋转。
13.还包括系泊系统，所述系泊系统设于所述设备部的下侧，所述系泊系统包括电机、锚链轮、锚链及海底浅桩，所述电机驱动所述锚链轮顺时针或逆时针转动，所述锚链上端系
在所述锚链轮上，所述锚链的下端连接所述海底浅桩的上端，所述海底浅桩的下端锚入海底，其中所述海底浅桩对所述混凝土浮筒形成一系泊拉力。
14.还包括所述气液交换设备还包括控制单元，所述控制单元通过浮体结构动力平衡方程控制所述混凝土浮筒的工作状态。
15.假设所述混凝土浮筒需要下潜h米，所述浮体结构动力平衡方程为：
[0016][0017]
其中，
[0018]
其中，式(1)中：g为混凝土浮筒的重力，t为系泊拉力，f(t)为浮筒的升沉阻力，r
t
为雷诺数，表示混凝土浮筒所受的合力；
[0019]
式(2)中，c
t
为液体阻力系数，a表示混凝土浮筒垂直投影面积；
[0020]
建立混凝土浮筒下潜深度h与时间t的关系函数：
[0021]
加速下潜阶段：
[0022]
减速下潜阶段：
[0023]
由于式(3a)和(3b)分别得到(4a)和(4b)
[0024][0025][0026]
足可加速至最大速度4m/s，则：
[0027]
(1)根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵的运行时间t0与混凝土浮筒匀速下潜时间t
匀
；
[0028]
(2)第一次启动第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒加速下潜，其中所述第一气泵的运行时间为t0；
[0029]
(3)关闭所述第一气泵，所述混凝土浮筒继续匀速下潜至减速深度，其中所述混凝土浮筒匀速下潜的时间为t
匀
；
[0030]
(4)所述混凝土浮筒达到减速深度，启动第二气泵用于所述配重空腔进气排水，所述第二气泵的运行的时间亦为t 0
，所述混凝土浮筒变减速下潜，时间到达t0后关闭所述第二气泵；
[0031]
(5)根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第一气泵第二次的运行时间t
静1
，第二次启动所述第一气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第一气泵运行时间达到t
静1
，关闭所述第一气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中
浮体结构静止时的平衡方程为：浮体结构静止时的平衡方程为：其中：g为：混凝土浮筒的重力，t为：系泊拉力，f(t)为：浮筒升沉阻力，表示为：混凝土浮筒所受的合力。
[0032]
若t不满足可加速至最大速度4m/s，则：
[0033]
(1)根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵第一次的运行时间t1；
[0034]
(2)第一次启动第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒变为加速下潜，其中所述第一气泵的运行时间为t1；
[0035]
(3)当所述混凝土浮筒达到减速深度，关闭所述第一气泵；
[0036]
(4)第一次启动所述第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒变为减速下潜，关闭第二气泵，其中所述第二气泵的运行时间为t1；
[0037]
(5)根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第一气泵第二次的运行时间t
静2
，第二次启动所述第一气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第一气泵运行时间达到t
静2
，关闭所述第一气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：浮体结构静止时的平衡方程为：其中：g为：混凝土浮筒的重力，t为：系泊拉力，f(t)为：浮筒的升沉阻力，表示为：混凝土浮筒所受的合力。
[0038]
假设所述混凝土浮筒需要上浮h米，所述浮体结构动力平衡方程为：
[0039][0040]
其中，
[0041]
其中，式(1)中：g为混凝土浮筒的重力，t为系泊拉力，f(t)为浮筒的升沉阻力，r
t
为雷诺数，表示混凝土浮筒所受的合力；
[0042]
式(2)中，c
t
为液体阻力系数，a表示混凝土浮筒垂直投影面积；
[0043]
建立混凝土浮筒下潜深度h与时间t的关系函数：
[0044]
加速上浮阶段：
[0045]
减速上浮阶段：
[0046]
由于式(7a)和(7b)分别得到(8a)和(8b)
[0047][0048][0049]
若t满足可加速至最大速度4m/s，则：
[0050]
(1)根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵的运行时间t0与混凝土浮筒匀速下潜时间t
匀
；
[0051]
(2)第一次启动第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒变为加速上浮，其中所述第二气泵的运行时间为t0；
[0052]
(3)关闭所述第二气泵，所述混凝土浮筒继续匀速上浮，其中所述混凝土浮筒匀速下潜的时间为t
匀
；
[0053]
(4)所述混凝土浮筒达到减速深度，启动第一气泵用于所述配重空腔排气进水，所述第一气泵的运行的时间亦为t0，关闭所述第一气泵；
[0054]
(5)根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第二气泵第二次的运行时间t
静2
，第二次启动所述第二气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第二气泵运行时间达到t
静2
，关闭所述第二气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：浮体结构静止时的平衡方程为：其中：g为：混凝土浮筒的重力，t为：系泊拉力，f(t)为：浮筒的升沉阻力，表示为：混凝土浮筒所受的合力。
[0055]
若t不满足可加速至最大速度4m/s，则：
[0056]
(1)根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵第一次的运行时间t1；
[0057]
(2)第一次启动第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒变为速上浮，其中所述第二气泵的运行时间为t1；
[0058]
(3)当所述混凝土浮筒达到减速深度，关闭所述第二气泵；
[0059]
(4)第一次启动所述第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒变为减速上浮，关闭第一气泵，其中所述第一气泵的运行时间为t1；
[0060]
(5)根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第二气泵第二次的运行时间t
静2
，第二次启动所述第二气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第一气泵运行时间达到t
静2
，关闭所述第二气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：浮体结构静止时的平衡方程为：其中：g为：混凝土浮筒的重力，t为：系泊拉力，f(t)为：浮筒的升沉阻力，表示为：混凝土浮筒所受的浮力。
[0061]
本发明提出一种可精准控制上浮下潜的混凝土浮筒，能通过所述配重空腔通过流进/流出海水以对所述混凝土浮筒进行配重，以使所述混凝土浮筒上浮或下潜，此外还能够通过自动监测混凝土浮筒的浮心和重心的相对位置，浮心和重心的相对位置对于判断混凝土浮筒是否为稳定平衡有重要意义。
[0062]
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
[0063]
图1所示为本发明可精准控制上浮下潜的混凝土浮筒的一个实施例的示意图。
[0064]
图2所示为混凝土浮筒漂浮状态的示意图。
[0065]
图3所示为混凝土浮筒下潜时受力示意图。
[0066]
图4所示为混凝土浮筒上浮时受力示意图。
[0067]
图5所示为如图1所示的剖视图。
[0068]
图6所示为平衡圆盘结构的示意图。
[0069]
图7所示为图3的侧视图。
[0070]
图8所示为系泊系统的示意图。
[0071]
图9所示为本发明混凝土浮筒的第一个实施例的流程图。
[0072]
图10所示为本发明混凝土浮筒的第二个实施例的流程图。
[0073]
图11所示为本发明混凝土浮筒的第三个实施例的流程图。
[0074]
图12所示为本发明混凝土浮筒的第四个实施例的流程图。
具体实施方式
[0075]
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0076]
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0077]
在下文中，若在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
[0078]
此外，若本发明涉及到术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0079]
除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
[0080]
参考图2、3、4，其中图2为所述混凝土浮筒漂浮状态的示意图，h
总
表示浮筒总高度，h表示：水面与浮筒底部的相对高度，h0表示：水面与浮筒顶部的相对高度，h表示：配重空腔水面高度。其中附图2、3、4阴影部分为海水的示意图，阴影部分的最上部为水面线。
[0081]
图3所示为混凝土浮筒下潜时受力示意图。此时浮筒受到向上的浮力，向上的阻力，重力及系泊系统对浮筒的向下的拉力。
[0082]
图4所示为混凝土浮筒上浮时受力示意图。此时浮筒受到向上的浮力，向下的阻力，重力及系泊系统对浮筒的向下的拉力。
[0083]
参考图1、5所示的实施例中，本发明实施例提供的可精准控制上浮下潜的混凝土浮筒100，包括：
[0084]
工作区1，所述工作区设于于整体结构的最顶端，即所述工作区1设于所述混凝土浮筒100的最上部。
[0085]
若多个所述混凝土浮筒100进行拼接在一起时，多个工作区1连接在一起，较佳地，所述工作区1的上表面为平整的表面，多个所述工作区1的上表面拼接形成一个平整的海上漂浮平面，可用于军事、民用等用途，例如海上军用机场等。
[0086]
气液置换部2，所述气液置换部2内设有一配重空腔，所述配重空腔通过流进/流出海水以对所述混凝土浮筒100进行配重；
[0087]
所述气液置换部2的通过混凝土浇筑形成内部中空的中空结构，该中空结构即为配重空腔，所述配重空腔是对所述混凝土浮筒100的总体重量进行配重，可以通过控制外部海水流进所述配重空腔以提高整个所述混凝土浮筒的重量，或者通过控制所述配重空腔内的海水流出外部以降低整个所述混凝土浮筒的重量。
[0088]
设备部3，所述设备部3设于所述气液置换部2下侧，且所述设备部3内设有气液交换设备，所述气液交换设备包括：第一气泵8a及第二气泵8b：所述第一气泵8a用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒100下潜；所述第二气泵8b用于所述配重空腔100内进气排水，所述混凝土浮筒100上浮；
[0089]
本实施例中，通过所述第一气泵8a、第二气泵8b对所述配重空腔排气进水，或者对所述配重空腔进气排水。需要说明的是，所述第一气泵8a及第二气泵8b是通过对所述配重空腔泵气(进气)，通过气压将所述配重空腔内的水逼出所述配重空腔，使得所述混凝土浮筒100的总体质量降低，所述混凝土浮筒100由此上浮；或通过对所述配重空腔排气，通过气压将海水逼进所述配重空腔内，使得所述混凝土浮筒100的总体质量增加，所述混凝土浮筒100由此下潜。需要说明的是，所述混凝土浮筒100的具体的上浮、下潜的工作状态的细节将在下文详细描述。
[0090]
还包括让海水流进/流出所述配重空腔的通道10。所述通道10为连通所述配重空腔与外部(即海洋)的通道，海洋的海水通过所述通道10进入所述配重空腔，或者所述配重空腔内的海水通过所述通道10排出至外部(海洋)。一个实施例中，参考图5，所述气液置换部2和设备部3均为轴对称中心结构。将所述气液置换部2和设备部3设置为轴对称中心结构，容易使得所述混凝土浮筒100的重量均匀配置，在海洋中漂浮时保持平衡。
[0091]
一个实施例中，参考图5，所述通道10设于所述设备部3的轴对称中心处，且所述通道10的上端与所述配重空腔连通，所述通道10的下端延伸至所述设备部3的下端并与外界的海水连通。
[0092]
需要说明的是，具体到图5所示的实施例中，所述通道10设于所述设备部3的轴对称中心处，是指所述通道10的中心轴与所述设备部3的中心轴重叠，例如当所述通道10为圆管形通道/长方形柱/六棱柱结构，所述设备部3可为园管形结构/六棱柱结构。更具体地，所述通道10为在浇筑所述设备部3时预留的通道结构。
[0093]
还需要说明的是，所述设备部3为混凝土浇筑的内部具有空腔的轴对称结构，所述设备部3的作用是设置所述气液交换设备，除了上文提到的所述第一气泵8a及第二气泵8b之外，还包括有控制单元6、电源7、气液交换管道9等等部件，这些部件在所述设备部3内需要注意重量的均匀布置，有利于所述设备部3的整体质量的分布。此外，由于所述设备部3是需要潜入海水中，因此所述设备部3的内部是密闭的空间，防止海水渗入，确保所述设备部3
内部的部件不受到损坏。
[0094]
参考图5、6、7，还包括平衡圆盘结构4，所述平衡圆盘结构4用于所述混凝土浮筒在漂浮时保持平衡，所述平衡圆盘结构4设于所述气液置换部2或设备部3的下侧，具体到如图5所示的实施例中，所述平衡圆盘结构4设于所述设备部3的下侧，所述平衡圆盘结构4设有过中心轴的若干根钢管轨道14，所述若干根钢管轨道14将所述平衡圆盘结构4进行等分为若干个扇形，且每根所述钢管轨道14均滑动地设有具有挂钩的配重块15，所述挂钩可在所述钢管轨道14上移动，且所述平衡圆盘结构4整体可旋转。
[0095]
本实施例中，所述钢管轨道14的下侧具有沿所述钢管轨道14长度方向延伸的卡口，所述挂钩的上端卡设在所述钢管轨道14的内部，下端通过所述卡口并钩住所述配重块15，因此通过移动所述配重块15的位置，调整所述平衡圆盘结构4的重心位置，进而调节所述混凝土浮筒的重心位置。因此通过调整多个所述配重块15的位置，即便能够调整所述混凝土浮筒100的中心位置和浮心位置高度重合，确保所述混凝土浮筒100投放到海洋中时，所述混凝土浮筒100处于相对平衡的漂浮状态，不容易因为海浪波动的原因而使得所述混凝土浮筒100发生倾覆。此外，由于所述平衡圆盘结构4整体可旋转，因此可以通过快速地旋转所述平衡圆盘结构4使得所述混凝土浮筒100获取平衡状态，亦即所述混凝土浮筒100的中心位置和浮心位置高度重合，因此更加的快捷、高效。
[0096]
参考图5、8，还包括系泊系统5，所述系泊系统5设于所述设备部3的下侧，所述系泊系统5包括电机51、锚链轮52、锚链53及海底浅桩54，所述电机51驱动所述锚链轮52顺时针或逆时针转动，所述锚链53上端系在所述锚链轮52上，所述锚链53的下端连接所述海底浅桩54的上端，所述海底浅桩54的下端锚入海底，其中所述海底浅桩54对所述混凝土浮筒100形成一系泊拉力。
[0097]
参考图8，所述系泊系统包括的电机51、锚链轮52均为两个，通过电机51的转动，所述锚链53能够被拉紧，确保所述系泊系统5的拉紧力。
[0098]
更具体地，当所述混凝土浮筒100处于正常的工作状态时，所述混凝土浮筒100所受到的浮力和自身的重力相互平衡，所述系泊系统5对所述混凝土浮筒100的拉紧力是用于防止所述混凝土浮筒100随洋流漂浮，而使得保持所述混凝土浮筒100的位置。
[0099]
一个实施例中，参考图5，还包括所述气液交换设备还包括控制单元6，所述控制单元6通过浮体结构动力平衡方程控制所述混凝土浮筒100的工作状态。
[0100]
一个实施例中，假设所述混凝土浮筒需要下潜h米，所述浮体结构动力平衡方程为：
[0101][0102]
其中，
[0103]
其中，式(1)中：g为混凝土浮筒的重力，t为系泊拉力，f(t)为浮筒的升沉阻力，r
t
为雷诺数，表示混凝土浮筒所受的合力；
[0104]
式(2)中，c
t
为液体阻力系数，a表示混凝土浮筒垂直投影面积；
[0105]
建立混凝土浮筒下潜深度h与时间t的关系函数：
[0106]
加速下潜阶段：
[0107]
减速下潜阶段：
[0108]
由于式(3a)和(3b)分别得到(4a)和(4b)
[0109][0110][0111]
参考图9，若t满足可加速至最大速度4m/s，则：
[0112]
s101，根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵的运行时间t0与混凝土浮筒匀速下潜时间t
匀
；
[0113]
s102，第一次启动第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒加速下潜，其中所述第一气泵的运行时间为t0；
[0114]
s103，关闭所述第一气泵，所述混凝土浮筒匀速下潜至减速深度，其中所述混凝土浮筒匀速下潜的时间为t
匀
；
[0115]
s104，所述混凝土浮筒达到减速深度，启动第二气泵用于所述配重空腔进气排水，所述第二气泵的运行的时间亦为t0，所述混凝土浮筒变减速下潜，时间到达t0后关闭所述第二气泵；
[0116]
s105，根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第一气泵第二次的运行时间t
静1
，第二次启动所述第一气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第一气泵运行时间达到t
静1
，关闭所述第一气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：中浮体结构静止时的平衡方程为：其中：g为混凝土浮筒的重力，t为系泊拉力，f(t)为浮筒的升沉阻力，r
t
为雷诺数，表示混凝土浮筒所受的合力；
[0117]
此外，系泊系统全程通过所述锚链拉紧所述混凝土浮筒。
[0118]
结合图9与本实施例步骤s101-106，对本发明设计优势进行进一步地解释：
[0119]
1.申请人通过检索、查阅相关资料及对混凝土浮筒进行反复的上浮、下潜试验、研究，得出混凝土浮筒的上浮及下潜的加速度最大值为1.4m/s2、速度最大值设定为4m/s是一个较佳的实施例。在此加速度与速度下，人体不会产生不适感，且在混凝土浮筒中的生产生活的人及生产工作不会因所述混凝土浮筒上浮下潜运动而受到较大的影响；
[0120]
2.通过得到的所述混凝土浮筒需要上浮下潜h米与所述浮体结构动力平衡方程的结合计算，利用所述混凝土浮筒匀速下潜阶段大大节省了用于两个气泵工作的运作时间与电能，利于延长所述混凝土浮筒中气泵装置的服役年限；
[0121]
3.所述混凝土浮筒上浮下潜的过程中，系泊系统全程通过所述锚链拉紧所述混凝
土浮筒，此设计不仅可以使浮筒稳定地在规定的路径范围内上浮下潜，而且可以精确地二次确定所述混凝土浮筒上浮或下潜的距离与所述混凝土浮筒各时刻所处的深度。
[0122]
参考图10，若t不满足可加速至最大速度4m/s，则：
[0123]
s201，根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵第一次的运行时间t1；
[0124]
s202，第一次启动第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒变为加速下潜，其中所述第一气泵的运行时间为t1；
[0125]
s203，当所述混凝土浮筒达到减速深度，关闭所述第一气泵；
[0126]
s204，第一次启动所述第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒变为减速下潜，关闭第二气泵，其中所述第二气泵的运行时间为t1；
[0127]
s205，根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第一气泵第二次的运行时间t
静2
，第二次启动所述第一气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第一气泵运行时间达到t
静2
，关闭所述第一气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：中浮体结构静止时的平衡方程为：其中：g为混凝土浮筒的重力，t为系泊拉力，f(t)为浮筒的升沉阻力，r
t
为雷诺数，表示混凝土浮筒所受的合力；
[0128]
此外，系泊系统全程通过所述锚链拉紧所述混凝土浮筒。
[0129]
一个实施例中，假设所述混凝土浮筒需要上浮h米，所述浮体结构动力平
[0130]
衡方程为：
[0131][0132]
其中，
[0133]
其中，式(1)中：g为混凝土浮筒的重力，t为系泊拉力，f(t)为浮筒的升沉阻力，r
t
为雷诺数，表示混凝土浮筒所受的合力；
[0134]
式(2)中，c
t
为液体阻力系数，a表示混凝土浮筒垂直投影面积；
[0135]
建立混凝土浮筒下潜深度h与时间t的关系函数：
[0136]
加速上浮阶段：
[0137]
减速上浮阶段：
[0138]
由于式(7a)和(7b)分别得到(8a)和(8b)
[0139][0140]
[0141]
参考图11，若t满足可加速至最大速度4m/s，则：
[0142]
s301，根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵的运行时间t0与混凝土浮筒匀速下潜时间t
匀
；
[0143]
s302，第一次启动第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒变为加速上浮，其中所述第二气泵的运行时间为t0；
[0144]
s303，关闭所述第二气泵，所述混凝土浮筒匀速上浮，其中所述混凝土浮筒匀速下潜的时间为t
匀
；
[0145]
s304，所述混凝土浮筒达到减速深度，启动第一气泵用于所述配重空腔排气进水，所述第一气泵的运行的时间亦为t0，关闭所述第一气泵；
[0146]
s305，根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第二气泵第二次的运行时间t
静2
，第二次启动所述第二气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第二气泵运行时间达到t
静2
，关闭所述第二气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：中浮体结构静止时的平衡方程为：其中：g为混凝土浮筒的重力，t为系泊拉力，f(t)为浮筒的升沉阻力，r
t
为雷诺数，表示混凝土浮筒所受的合力；
[0147]
此外，系泊系统全程通过所述锚链拉紧所述混凝土浮筒。
[0148]
参考图12，若t不满足可加速至最大速度4m/s，则：
[0149]
s401，根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵第一次的运行时间t1；
[0150]
s402，第一次启动第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒变加速上浮，其中所述第二气泵的运行时间为t1；
[0151]
s403，当所述混凝土浮筒达到减速深度，关闭所述第二气泵；
[0152]
s404，第一次启动所述第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒变为减速上浮，关闭第一气泵，其中所述第一气泵的运行时间为t1；
[0153]
s405，根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第二气泵第二次的运行时间t
静2
，第二次启动所述第二气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第一气泵运行时间达到t
静2
，关闭所述第二气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：中浮体结构静止时的平衡方程为：其中：g为混凝土浮筒的重力，t为系泊拉力，f(t)为浮筒的升沉阻力，r
t
为雷诺数，表示混凝土浮筒所受的合力；
[0154]
此外，系泊系统全程通过所述锚链拉紧所述混凝土浮筒。
[0155]
本发明提出一种可精准控制上浮下潜的混凝土浮筒，能通过所述配重空腔通过流进/流出海水以对所述混凝土浮筒进行配重，以使所述混凝土浮筒上浮或下潜，此外还能够通过自动监测混凝土浮筒的浮心和重心的相对位置，浮心和重心的相对位置对于判断混凝土浮筒是否为稳定平衡有重要意义。当浮心和重心相对位移发生偏移，平衡圆盘结构可以根据偏移情况将已有质量进行平动和转动调节重心位置，使得混凝土浮筒在上浮和下潜过
程中浮心和重心时刻在同一铅锤线上。
[0156]
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种混凝土浮筒，其特征在于，包括：工作区，所述工作区设于整体结构的最顶端；气液置换部，所述气液置换部内设有一配重空腔，所述配重空腔通过流进/流出海水以对所述混凝土浮筒进行配重；设备部，所述设备部设于所述气液置换部下侧，且所述设备部内设有气液交换设备，所述气液交换设备包括：第一气泵及第二气泵：所述第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒下潜；所述第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒上浮；还包括让海水流进/流出所述配重空腔的通道。2.如权利要求1所述的混凝土浮筒，其特征在于，所述气液置换部和设备部均为轴对称中心结构。3.如权利要求2所述的混凝土浮筒，其特征在于，所述通道设于所述设备部的轴对称中心处，且所述通道的上端与所述配重空腔连通，所述通道的下端延伸至所述设备部的下端并与外界的海水连通。4.如权利要求1所述的混凝土浮筒，其特征在于，还包括平衡圆盘结构，所述平衡圆盘结构用于所述混凝土浮筒在漂浮时保持平衡，所述平衡圆盘结构设于所述气液置换部或设备部的下侧，所述平衡圆盘结构设有过中心轴的若干根钢管轨道，所述若干根钢管轨道将所述平衡圆盘结构进行等分为若干个扇形，且每根所述钢管轨道均滑动地设有具有挂钩的配重块，所述挂钩可在所述钢管轨道上移动，且所述平衡圆盘结构整体可旋转。5.如权利要求1-4任一项所述的混凝土浮筒，其特征在于，还包括系泊系统，所述系泊系统设于所述设备部的下侧，所述系泊系统包括电机、锚链轮、锚链及海底浅桩，所述电机驱动所述锚链轮顺时针或逆时针转动，所述锚链上端系在所述锚链轮上，所述锚链的下端连接所述海底浅桩的上端，所述海底浅桩的下端锚入海底，其中所述海底浅桩对所述混凝土浮筒形成一系泊拉力。6.如权利要求5所述的混凝土浮筒，其特征在于，还包括所述气液交换设备还包括控制单元，所述控制单元通过浮体结构动力平衡方程控制所述混凝土浮筒的工作状态。7.如权利要求6所述的混凝土浮筒，其特征在于，假设所述混凝土浮筒需要下潜h米，所述浮体结构动力平衡方程为：其中，其中，式(1)中：g为混凝土浮筒的重力，t为系泊拉力，f(t)为浮筒升沉阻力，r
t
为雷诺数，表示混凝土浮筒所受的合力；式(2)中，c
t
为液体阻力系数，a表示混凝土浮筒垂直投影面积；建立混凝土浮筒下潜深度h与时间t的关系函数：
由于式(3a)和(3b)分别得到(4a)和(4b)由于式(3a)和(3b)分别得到(4a)和(4b)若t满足可加速至最大速度4m/s，则：(1)根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵的运行时间t0与混凝土浮筒匀速下潜时间t
匀
；(2)第一次启动第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒加速下潜，其中所述第一气泵的运行时间为t0；(3)关闭所述第一气泵，所述混凝土浮筒继续匀速下潜至减速深度，其中所述混凝土浮筒匀速下潜的时间为t
匀
；(4)所述混凝土浮筒达到减速深度，启动第二气泵用于所述配重空腔进气排水，所述第二气泵的运行的时间亦为t 0
，所述混凝土浮筒变减速下潜，时间到达t0后关闭所述第二气泵；(5)根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第一气泵第二次的运行时间t
静1
，第二次启动所述第一气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第一气泵运行时间达到t
静1
，关闭所述第一气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：结构静止时的平衡方程为：其中：g为：混凝土浮筒的重力，t为：系泊拉力，f(t)为：浮筒升沉阻力，表示为：混凝土浮筒所受的合力。8.如权利要求7所述的混凝土浮筒，其特征在于，若t不满足可加速至最大速度4m/s，则：(1)根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵第一次的运行时间t1；(2)第一次启动第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒变为加速下潜，其中所述第一气泵的运行时间为t1；(3)当所述混凝土浮筒达到减速深度，关闭所述第一气泵；(4)第一次启动所述第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒变为减速下潜，关闭第二气泵，其中所述第二气泵的运行时间为t1；(5)根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第一气泵第二次的运行时间t
静2
，第二次启动所述第一气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第一气泵运行时间达到t
静2
，关闭所述第一气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：结构静止时的平衡方程为：其中：g为：混凝土浮筒的重力，t
为：系泊拉力，f(t)为：浮筒的升沉阻力，表示为：混凝土浮筒所受的合力。9.如权利要求6所述的混凝土浮筒，其特征在于，假设所述混凝土浮筒需要上浮h米，所述浮体结构动力平衡方程为：其中，其中，式(1)中：g为混凝土浮筒的重力，t为系泊拉力，f(t)为浮筒的升沉阻力，r
t
为雷诺数，表示混凝土浮筒所受的合力；式(2)中，c
t
为液体阻力系数，a表示混凝土浮筒垂直投影面积；建立混凝土浮筒下潜深度h与时间t的关系函数：建立混凝土浮筒下潜深度h与时间t的关系函数：由于式(7a)和(7b)分别得到(8a)和(8b)由于式(7a)和(7b)分别得到(8a)和(8b)若t满足可加速至最大速度4m/s，则：(1)根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵的运行时间t0与混凝土浮筒匀速下潜时间t
匀
；(2)第一次启动第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒变为加速上浮，其中所述第二气泵的运行时间为t0；(3)关闭所述第二气泵，所述混凝土浮筒继续匀速上浮，其中所述混凝土浮筒匀速下潜的时间为t
匀
；(4)所述混凝土浮筒达到减速深度，启动第一气泵用于所述配重空腔排气进水，所述第一气泵的运行的时间亦为t0，关闭所述第一气泵；(5)根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第二气泵第二次的运行时间t
静2
，第二次启动所述第二气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第二气泵运行时间达到t
静2
，关闭所述第二气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：结构静止时的平衡方程为：其中：g为：混凝土浮筒的重力，t为：系泊拉力，f(t)为：浮筒的升沉阻力，表示为：混凝土浮筒所受的合力。
10.如权利要求9所述的混凝土浮筒，其特征在于，若t不满足可加速至最大速度4m/s，则：(1)根据动力结构平衡方程得到第一气泵及第二气泵第一次的运行时间t1；(2)第一次启动第二气泵用于所述配重空腔内进气排水，所述混凝土浮筒变为速上浮，其中所述第二气泵的运行时间为t1；(3)当所述混凝土浮筒达到减速深度，关闭所述第二气泵；(4)第一次启动所述第一气泵用于所述配重空腔内排气进水，所述混凝土浮筒变为减速上浮，关闭第一气泵，其中所述第一气泵的运行时间为t1；(5)根据浮体结构静止时的平衡方程计算得出平衡时所需浮力大小，进而得出第二气泵第二次的运行时间t
静2
，第二次启动所述第二气泵对所述配重空腔排气进水，当所述第一气泵运行时间达到t
静2
，关闭所述第二气泵，此时所述混凝土浮筒达到静止状态，其中浮体结构静止时的平衡方程为：结构静止时的平衡方程为：其中：g为：混凝土浮筒的重力，t为：系泊拉力，f(t)为：浮筒的升沉阻力，表示为：混凝土浮筒所受的浮力。

技术总结
本发明公开了一种可精准控制上浮下潜的混凝土浮筒，包括：气液置换部，气液置换部内设有一配重空腔，配重空腔通过流进/流出海水以对混凝土浮筒进行配重；设备部，设备部设于气液置换部下侧，且设备部内设有气液交换设备，气液交换设备包括：第一气泵及第二气泵：第一气泵用于配重空腔内排气进水，混凝土浮筒下潜；第二气泵用于配重空腔内进气排水，混凝土浮筒上浮；还包括让海水流进/流出配重空腔的通道。本发明是一种能够通过气液交换、运动控制方程保证浮筒结构稳定地、精确地实现上浮和下潜，并可通过实时调整配重实现浮筒运动状态全过程稳定的混凝土海上浮筒建筑，其控制操作和实现方式简单、安全、快速和可靠。快速和可靠。快速和可靠。


技术研发人员：黄振宇 邓志铖 庞振清 吴宇飞
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/6/3