一种可连续进行内孤立波实验的装置及方法

摘要

本发明公开了一种可连续进行内孤立波实验的装置及方法。它包括实验水槽，储水箱，位于实验水槽和储水箱之间的导轨，在导轨上可移动的尾门板以及与尾门板铰接的多孔消波板。所述尾门板中心镂空，内置滑轨；所述滑轨上装有滑块，滑块上装有一列CT探头，用于探测密度剖面，确定混合层厚度；半潜体与所述滑块铰接，使得滑块可随着半潜体自由地上下滑动。所述半潜体内通有一根细管，与实验水槽外的小流量蠕动泵相连，所述蠕动泵、CT探头均与微电脑相连。本发明装置设计新颖，操作简单，整体性好。通过该装置增加试验中每次获得层结水体后可模拟内孤立波运动及破碎的实验次数，成功地实现了持续进行内孤立波实验的目的。

权利要求

1.一种可连续进行内孤立波实验的装置，包括实验水槽（1）、储水箱（2）、位于实验水槽（1）和储水箱（2）之间的导轨（3）、在导轨（3）上可移动的尾门板（4）以及与尾门板（4）铰接的多孔消波板（5），其中实验水槽（1）和储水箱（2）紧邻设置，尾门板（4）设置在实验水槽（1）和储水箱（2）相邻面上，其特征在于：所述尾门板（4）中心镂空，内置滑轨；所述滑轨上装有滑块（6），滑块（6）上装有一列CT探头（7），用于探测密度剖面，确定混合层厚度；半潜体（8）与所述滑块（6）铰接，使得滑块（6）可随着半潜体（8）自由地上下滑动；

所述半潜体（8）内通有一根细管，与实验水槽（1）外的小流量蠕动泵相连，所述蠕动泵、CT探头均与微电脑相连；

所述实验水槽（1）底部还装有平板型进水口（9），与下层流体水箱相连通；实验水槽（1）上部有一浮块（10），与上层流体水箱相连通。

2.根据权利要求1所述的一种可连续进行内孤立波实验的装置，其特征在于：所述储水箱（2），实验水槽（1）的三个壁面设置为钢化玻璃板，尾门板（4）为亚克力板所制，滑块（6）与半潜体（8）为塑料所制。

3.根据权利要求1所述的一种可连续进行内孤立波实验的装置，其特征在于：所述尾门板（4）通过伺服电机在导轨（3）上上下移动，尾门板（4）上端与多孔消波板（5）铰接，在移动尾门板（4）时，多孔消波板（5）随之同步移动。

4.根据权利要求1所述的一种可连续进行内孤立波实验的装置，其特征在于：所述尾门板（4）侧边涂抹凡士林以防止发生漏水。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种可连续进行内孤立波实验的装置，其特征在于：所述半潜体（8）和滑块（6）总体排水量不变，通过增减半潜体（8）内部液体的体积使其匹配不同的密度，保持其位置与混合层位置水平。

6.一种可连续进行内孤立波实验的方法，使用权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于：

a. 实验前设置尾门高度

实验前根据实验参数，使用伺服电机调节尾门板（4）的高度至分层流体总高度；调节半潜体（8）内的液体量，将其平均密度设置为混合层平均密度；

通过平板型进水口（9）向实验水槽（1）内加入下层流体，而后使用蠕动泵通过浮块（10）向实验水槽（1）中缓速注入上层流体，直到液面到达尾门高度并溢出后停止注水；

此时由于重力与浮力的作用，半潜体（8）和滑块（6）停留在混合层位置，且由于受到多孔消波板（5）的遮蔽作用，滑块（6）在实验过程中几乎不发生位移；CT探头（7）记录此时混合层附近的密度剖面形态；

b.实验中保持液面恒定

内孤立波实验中使用“塌陷法”造波，在实验水槽（1）左侧使用闸门阻隔后，通过浮块（10）向闸门内注入上层流体，使得闸门内外产生高度差；在移除闸门后即产生“塌陷”从而生成内孤立波；

内孤立波经过试验区域后到达尾门板（4），在多孔消波板（5）处破碎并耗散；

c.实验后抽取混合层流体并重复实验内孤立波实验使得分层水体发生混合，使得混合层变厚；CT探头（7）测得密度剖面，确定混合层厚度，微电脑控制小流量蠕动泵将其中液体吸出；通过负反馈控制小流量蠕动泵流量，降低混合层厚度，逐渐逼近初始混合层剖面厚度，最后达到与实验前混合层厚度相同的目的；

微电脑根据吸取的流量和时间计算出吸取的液体体积，由于双层流体环境多为向下混合，因此通过底部的平板型进水口（9）加入相同体积的下层流体后，实验水槽（1）内的流体就重新回到了实验前的状态，可重复进行实验。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在实验中注入上层流体后尾门板（4）处将发生溢流，保持液面高度稳定，溢流的流体落入储水箱（2）中，可在实验后重复利用。

说明书

一种可连续进行内孤立波实验的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋科学与工程模型试验领域，具体涉及一种可连续进行内孤立波实验的装置及方法。

背景技术

[0002] 内波，是发生在层结海洋中的一种十分普遍的波动现象。内波从生成到破碎的过程引起的跨越等密度面混合，对海洋水体交换、营养盐的输运、维持深海环流结构起着重要
的作用。陆架上内波生成问题的研究对于大陆架上环境要素的分布、海洋工程和水下航行
活动都具有十分重要的意义。深海中的内波引起混合的机理复杂，受到海底地形特征、地理
纬度以及层结程度等多种因素的影响。内孤立波是内波的一种，它的振幅更大，非线性也更
强，其对结构物的损害也更剧烈。

[0003] 内孤立波现有现场观测、实验室模拟、数值模拟和理论解析等研究方法。其中，实验室模拟双层流体情况下的内孤立波多采用“塌陷法”造波。所谓“塌陷法”即在得到分层流
体之后，在水槽的一端插入挡板而在下方留下较大空隙，而后向挡板内缓慢地加入上层流
体，将挡板内的下层流体通过下方空隙挤出挡板内，从而使得挡板内外的流体存在一个高
度差。在抽出挡板后，在重力的作用下即会发生重力塌陷而形成下凹型内孤立波。

[0004] 若想要得到上凸型内孤立波，则使用挡板将挡板内的区域完全隔绝，抽出上层流体后加入下层流体。这种造波方法操作简单，且只要控制塌陷高度，实验就有可重复性，现
有的很多内孤立波实验都是采用这种方法造波。但是这种方法在进行大振幅内孤立波的模
拟时会存在水位上升的问题。根据上述的方法，每次造波都需要向挡板内侧加入一定量的
上层水。

[0005] 在一个10m长的水槽中，挡板距离水槽侧边为30cm左右，而进行一次塌陷高度为11cm的实验会使得总水位上升0.33cm，这会改变上下层水体的高度比例，从而影响实验结
果。且在使用盐度分层的实验中，随着实验的进行，内孤立波发生耗散时会使得上下层水体
发生混合，使得两层水体之间的混合层加厚，即介于上下层水体密度的水的体积增加，这同
样会影响实验结果。

[0006] 一般实验中解决上述问题的方法就是每次实验进行较少的工况，从而减少这两种现象对实验结果的影响。但是由于内孤立波发生耗散时的特性，其发生混合的区域多位于
混合层附近，而远离混合层的水体其密度剖面很少发生变化。因此理论上只要在实验中设
法减少混合层厚度以及保持水位恒定即可实现内孤立波实验的持续进行。基于此设想了一
种可以持续进行内孤立波实验的装置及方法。

发明内容

[0007] 本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种可以持续进行内孤立波实验的装置及方法。该试验系统结构简单，操作方便；能保持水槽内水位恒定且能够完成在实验中降低
混合层厚度的操作；能提高内波实验的实验效率，且降低大量人力成本。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0009] 本发明的一方面提供了一种可连续进行内孤立波实验的装置，它包括实验水槽，储水箱，位于实验水槽和储水箱之间的导轨，在导轨上可移动的尾门板以及与尾门板铰接
的多孔消波板。

[0010] 所述尾门板中心镂空，内置滑轨；所述滑轨上装有滑块，滑块上装有一列CT探头，用于探测密度剖面，确定混合层厚度；半潜体与所述滑块铰接，使得滑块可随着半潜体自由
地上下滑动。

[0011] 所述半潜体内通有一根细管，与实验水槽外的小流量蠕动泵相连，所述蠕动泵、CT探头均与微电脑相连。

[0012] 所述实验水槽底部还装有平板型进水口，与下层流体水箱相连通；实验水槽上部有一浮块，与上层流体水箱相连通。

[0013] 本发明的另一方面还提供了一种可连续进行内孤立波实验的方法，包括如下步骤：

[0014] a. 实验前设置尾门高度

[0015] 实验前根据实验参数，使用伺服电机调节尾门板的高度至分层流体总高度，调节半潜体内的液体量，将其平均密度设置为混合层平均密度。

[0016] 通过平板型进水口向实验水槽内加入下层流体，而后使用蠕动泵通过浮块向实验水槽中缓速注入上层流体，直到液面到达尾门高度并溢出后停止注水。

[0017] 此时由于重力与浮力的作用，半潜体和滑块停留在混合层位置，且由于受到多孔消波板的遮蔽作用，滑块在实验过程中几乎不发生位移。CT探头记录此时混合层附近的密
度剖面形态。

[0018] b.实验中保持液面恒定

[0019] 内孤立波实验中使用“塌陷法”造波，在实验水槽左侧使用闸门阻隔后，通过浮块向闸门内注入上层流体，使得闸门内外产生高度差，在移除闸门后即产生“塌陷”从而生成
内孤立波。在实验中注入上层流体后尾门处将发生溢流，保持液面高度稳定，溢流的流体落
入储水箱中，可在实验后重复利用。内孤立波经过试验区域后到达尾门，在多孔消波板处破
碎并耗散。

[0020] c.实验后抽取混合层流体并重复实验。

[0021] 内孤立波实验会使得分层水体发生混合，使得混合层变厚。CT探头测得密度剖面，确定混合层厚度，微电脑控制小流量蠕动泵将其中液体吸出。通过负反馈控制蠕动泵流量，
降低混合层厚度，逐渐逼近初始混合层剖面厚度，最后达到与实验前混合层厚度相同的目
的。

[0022] 微电脑根据吸取的流量和时间计算出吸取的液体体积，由于双层流体环境多为向下混合，因此通过底部的平板型进水口加入相同体积的下层流体后，实验水槽内的流体就
重新回到了实验前的状态，可以重复进行实验。

[0023] 本发明的有益效果：

[0024] 1、该试验装置可靠性强，整体性好；操作简便，一次甚至数次实验中只需要调节一次尾门高度；维持各层高度恒定使用了自动控制，设备使用过程简单方便，效率高。

[0025] 2、本发明实质上是在分层水体实验之后将水槽内的水体恢复到实验前的状态，保持了各个分层状态不变，因此可以适用于除线性分层外的所有分层水体实验，包括双层三
层分层等等。

[0026] 3、本发明改变了之前做一次实验只能进行几个工况的情况，大大增加了实验效率，也增加了配制的粒子水的利用率，节约了实验经费。

[0027] 综上所述，本装置设计新颖，结构简单，整体性好，可靠性强；装置构件组合设计灵活，可适用范围广泛，尤其针对层化条件下的海洋流体动力学试验；本装置为实验室节省大
量人力，缩短了实验周期；本装置为实验室节约耗材，配好一次粒子水可以使用数次而不需
要清空更换。

附图说明

[0028] 图1是本发明的正视示意图；

[0029] 图2是本发明侧视示意图；

[0030] 图3是本发明俯视示意图；

[0031] 图4是本发明尾门板立体图。

具体实施方式

[0032] 下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。

[0033] 如图1至图4所示，一种可连续进行内孤立波实验的装置，包括实验水槽1，储水箱2，导轨3，尾门板4与多孔消波板5，其中尾门板4与多孔消波板5通过铰接方式连接，尾门板
安装在水槽一端的导轨3上，两者之间装有伺服电机，可以使尾门板4在导轨3上上下滑动。
导轨3装于实验水槽一侧的不锈钢支架上。尾门板4中心镂空，内置滑轨与电缆，滑轨上装一
滑块6，滑块上装有一列CT探头7。半潜体8与滑块铰接，使得滑块可以随着半潜体自由地上
下滑动。半潜体内通有一根细管，经滑块、滑轨，与水槽外的小流量蠕动泵相连。蠕动泵、CT
探头均与微电脑相连，水槽底部装有平板型进水口9，与下层流体水箱相连；上部有一浮块
10，浮块10连接外部蠕动泵并与上层流体水箱相连。下层流体水箱和上层流体水箱分别装
有下层流体和上层流体，在图中未示出。

[0034] 上述技术方案中，所述储水箱和水槽壁面设置为钢化玻璃板，尾门板为亚克力板所制，滑块与半潜体为塑料所制。所述CT探头是一种行业内常用的用于即时测量密度值的
测量仪器。

[0035] 上述技术方案中，所述水箱、实验水槽均安装于不锈钢支架上。

[0036] 上述技术方案中，所述尾门板可以通过伺服电机在导轨上上下移动，尾门板上端与多孔消波板铰接，在移动尾门板时，多孔消波板随之同步移动。尾门板内侧涂抹凡士林以
防止在实验水槽底面玻璃边缘的空隙发生漏水。半潜体和滑块总体排水量不变，可以通过
增减半潜体内部液体的体积使其匹配不同的密度，保持其位置与混合层位置水平。

[0037] 一种可连续进行内孤立波实验方法如下：

[0038] a. 实验前设置尾门高度

[0039] 实验前根据实验参数，使用伺服电机调节尾门板的高度至分层流体总高度，调节半潜体内的液体量，将其平均密度设置为混合层平均密度。通过平板型进水口向实验水槽
内加入下层流体，而后使用蠕动泵通过浮块向实验水槽中缓速注入上层流体，直到液面到
达尾门高度并溢出后停止注水。此时由于重力与浮力的作用，半潜体和滑块停留在混合层
位置，且由于受到多孔消波板的遮蔽作用，滑块在实验过程中几乎不发生位移。CT探头记录
此时混合层附近的密度剖面形态。

[0040] b.实验中保持液面恒定

[0041] 内孤立波实验中使用“塌陷法”造波，在实验水槽左侧使用闸门阻隔后，通过浮块向闸门内注入上层流体，使得闸门内外产生高度差，在移除闸门后即产生“塌陷”从而生成
内孤立波。在实验中注入上层流体后尾门板处将发生溢流，保持液面高度稳定.溢流的流体
落入储水箱中，可在实验后重复利用。内孤立波经过试验区域后到达尾门板，在多孔消波板
处破碎并耗散。

[0042] c.实验后抽取混合层流体并重复实验。

[0043] 内孤立波实验会使得分层水体发生混合，使得混合层变厚。CT探头测得密度剖面，确定混合层厚度，微电脑控制小流量蠕动泵将其中液体吸出。通过负反馈控制蠕动泵流量，
降低混合层厚度，逐渐逼近初始混合层剖面厚度，最后达到与实验前混合层厚度相同的目
的。

[0044] 微电脑根据吸取的流量和时间计算出吸取的液体体积，由于双层流体环境多为向下混合，因此通过底部的平板型进水口加入相同体积的下层流体后，水槽内的流体就重新
回到了实验前的状态，可以重复进行实验。