一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置及方法，属于漂浮物质受力测量技术领域，包括水槽；漂浮物，所述漂浮物具有配重功能；牵引力测量装置，所述牵引力测量装置与所述漂浮物相连接，用于牵引漂浮物运动获取总牵引力的数据；切应力测量装置，所述切应力测量装置用于获取所述漂浮物移动过程中接触水面的水流切应力数据；移动平台，所述移动平台沿水槽驱动所述牵引力测量装置、切应力测量装置移动；该移动式水体表面漂浮物质受力测量装置及方法，使用方便，通过导轨与导轨卡扣的配合，实现了运行的稳定性，通过对变频控制电机的调节，适合多种场合的测量；通过固定件的调节，使漂浮物与水面的接触，减少测试过程中测量误差。

权利要求

1.一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置的受力测量方法，其特征在于：所述装置包括:水槽；

漂浮物，所述漂浮物具有配重功能；

牵引力测量装置，所述牵引力测量装置与所述漂浮物相连接，用于牵引漂浮物运动获取总牵引力的数据；

切应力测量装置，所述切应力测量装置用于获取所述漂浮物移动过程中接触水面的水流切应力数据；

移动平台，所述移动平台沿水槽驱动所述牵引力测量装置、切应力测量装置移动；所述水槽腔体内设置有导轨；所述移动平台包括：作业平台，所述作业平台用于承载牵引力测量装置、切应力测量装置；

滚动轮，所述滚动轮包括两个从动轮以及两个用于驱动作业平台沿着水槽导轨移动的驱动轮；

变频控制电机，所述变频控制电机与两个驱动轮相连接，并设置电机功率控制所述作业平台运动速度；

导轨卡扣，所述导轨卡扣固定于作业平台，用于限制作业平台前进方向；

移动滑轮，所述移动滑轮连接于导轨卡扣，用于抵触导轨；所述牵引力测量装置包括：测力传感器，所述测力传感器与漂浮物保持在同一平面；

测力传感器记录仪器，所述测力传感器记录仪器通过测力传感器数据连接线获取测力传感器的信号，并保存数据；

牵引软绳，所述牵引软绳一端固定于测力传感器，另一端与漂浮物相连接；

固定件，用于安装测力传感器，并调节高度；所述方法包括以下步骤：步骤1、调节固定件的高度，使得测力传感器始终与漂浮物保持在同一平面；

步骤2、在静水条件下，控制移动平台以设定好的速度运动，带动漂浮物运动，通过牵引力测量装置获取漂浮物受到的水体总牵引力 ，通过切应力测量装置获取漂浮物底部切应力 ，计算的粘滞阻力 和压强阻力 ， 为漂浮物在流速切向上的投影面积；使得压强阻力与粘滞阻力精确分开；

步骤3、设置电机功率使得移动平台以不同速度和加速度在水槽上滑动，设置不同形状密度和厚度的漂浮物，记录多组数据；

步骤4、采用控制单一变量法，分别计算压强阻力与粘滞阻力在不同流速差值、水深、漂浮物密度形态影响因素的变化系数，得出漂浮物的漂移机理；所述压强阻力与粘滞阻力在不同流速差值、水深、漂浮物密度形态影响因素的变化系数的计算方法如下：漂浮物漂移过程中受到的水流力表示为；

其中， 为漂浮物质量； 为漂浮物漂移速度；为时间;  为压强阻力； 为粘滞阻力； 为压强阻力系数； 为水体密度； 为水流流速； 为漂浮物在流速法向上的投影面积； 为粘滞阻力系数； 为漂浮物在流速切向上的投影面积；其中， 与漂浮物的平面形状特征，密度，厚度有关， 与雷诺数 和糙率 有关，则压强阻力系数与粘滞阻力系数的表达式为：其中， 表示形状特征的无量纲参数，当漂浮物的平面投影为矩形时， ，当为其他形状时， ； 为漂浮物浸没水中部分的厚度；为漂浮物的特征长度，取漂浮物沿水流方向的长度； 、 、 为二次函数的待定系数； 为漂浮物厚度， ； 为漂浮物的密度；  为雷诺数， ， 为运动粘度， 为糙率；

， ； 、 、 为层流过程中二

次函数的待定系数； 、 、 为紊流过程中二次函数的待定系数；

通过实际测得的 和 ，计算得到相应的粘滞阻力系数 和压强阻力系数 。

2.根据权利要求1所述的一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置的受力测量方法，其特征在于：所述固定件通过齿轮与作业平台相连接，所述齿轮与转动轴啮合，所述转动轴转动时带动齿轮使固定件上下运动，且所述转动轴设置有用于方便转动的转动轴把柄。

3.根据权利要求1所述的一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置的受力测量方法，其特征在于：所述切应力测量装置包括：切应力传感片；

切应力数据记录仪，所述切应力数据记录仪通过连接数据线与所述切应力传感片相连接，用于记录切应力数据，设置与测力传感器记录仪器同步开启记录；

其中，所述连接数据线的材质为软性。

4.根据权利要求1所述的一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置的受力测量方法，其特征在于：所述导轨卡扣分别固定于作业平台的两侧面，其向下延伸至导轨下方，并构成L型，所述作业平台的两个侧面的导轨卡扣分别连接有同一直线分布的两幅移动滑轮，两幅所述移动滑轮的间距大于相同侧的两个滚动轮间距，且两幅所述移动滑轮的间距的为整个导轨卡扣的长度的3/5，所述导轨卡扣的长度为整个作业平台的4/5。

说明书

一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于漂浮物质受力测量技术领域，具体涉及移动式水体表面漂浮物质受力测量装置及方法。

背景技术

[0002] 近年来，海洋环境中的赤潮及绿潮现象越来越受到科学家、公众和政策制定者的关注，赤潮及绿潮现象主要来源于海岸附近，近年来多次爆发，为我国海岸带环境治理带来很大的挑战，赤潮或绿潮爆发过程中，其会随着海流远距离输运形成二次伤害，如何精准的预测其漂移过程是亟需解决的问题，然而，目前我们对成型大片的藻类运动规律了解甚少，故需要相关实验进行探讨；

[0003] 漂浮物在水中运动主要收到水流的拖曳力和风的阻力的作用，水流的拖曳力主要是由于表层水流速度和漂浮物漂移速度不同步所致，由于近岸海流主要受到潮汐动力较强使得水流的流速一直处在不断变化过程中，故水流和漂浮物的速度差也在不断变化，探讨不同速度差下漂浮物所受的拖曳力对漂浮物的运动轨迹预测有至关重要的作用，现有的研究多是通过遥感卫星影像反演，来探讨海洋中漂浮物的漂移规律，但存在着诸多问题，例如很难收集到同时期的风场及海流数据，获取数据成本较大，反演精度不高，操作复杂等。为探讨漂浮物的漂移特性，需借助相应的物理模型实验进行机理分析；漂浮物漂移过程中，受水流的总拖曳力分为压强阻力和粘滞阻力两种，压强阻力的大小主要和漂浮物的平面形状，厚度以及密度有关，粘滞应力和其面积及底面粗糙程度和面积有关；目前传统的实验过程无法高精确测量漂浮物在漂移过程中的压强阻力和粘滞阻力，只能测得一个总体拖曳力，然后再根据一些经验公式将其分离开来，这在后续研究计算中会产生较大误差，因此需要研发一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置及方法来解决现有的问题，以探讨漂浮物漂移过程中的受力机理。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置及方法，以解决无法高精确测量漂浮物在漂移过程中的压强阻力和粘滞阻力的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置，包括：

[0006] 水槽；

[0007] 漂浮物，所述漂浮物具有配重功能；

[0008] 牵引力测量装置，所述牵引力测量装置与所述漂浮物相连接，用于牵引漂浮物运动获取总牵引力的数据；

[0009] 切应力测量装置，所述切应力测量装置用于获取所述漂浮物移动过程中接触水面的水流切应力数据；

[0010] 移动平台，所述移动平台沿水槽驱动所述牵引力测量装置、切应力测量装置移动。

[0011] 优选的，所述水槽腔体内设置有导轨。

[0012] 优选的，所述移动平台包括：

[0013] 作业平台，所述作业平台用于承载牵引力测量装置、切应力测量装置；

[0014] 滚动轮，所述滚动轮包括两个从动轮以及两个用于驱动作业平台沿着水槽导轨移动的驱动轮；

[0015] 变频控制电机，所述变频控制电机与两个驱动轮相连接，并设置电机功率控制所述作业平台运动速度；

[0016] 导轨卡扣，所述导轨卡扣固定于作业平台，用于限制作业平台前进方向；

[0017] 移动滑轮，所述移动滑轮连接于导轨卡扣，用于抵触导轨。

[0018] 优选的，所述牵引力测量装置包括：

[0019] 测力传感器，所述测力传感器与漂浮物保持在同一平面；

[0020] 测力传感器记录仪器，所述测力传感器记录仪器通过测力传感器数据连接线获取测力传感器的信号，并保存数据；

[0021] 牵引软绳，所述牵引软绳一端固定于测力传感器，另一端与漂浮物相连接；

[0022] 固定件，用于安装测力传感器，并调节高度。

[0023] 优选的，所述固定件通过齿轮与作业平台相连接，所述齿轮与转动轴啮合，所述转动轴转动时带动齿轮使固定件上下运动，且所述转动轴设置有用于方便转动的转动轴把柄。

[0024] 优选的，所述切应力测量装置包括：

[0025] 切应力传感片；

[0026] 切应力数据记录仪，所述切应力数据记录仪通过连接数据线与所述切应力传感片相连接，用于记录切应力数据，设置与测力传感器记录仪器同步开启记录；

[0027] 其中，所述连接数据线的材质为软性。

[0028] 优选的，所述导轨卡扣分别固定于作业平台的两侧面，其向下延伸至导轨下方，并构成L型，所述作业平台的两个侧面的导轨卡扣分别连接有同一直线分布的两幅移动滑轮，两幅所述移动滑轮的间距大于相同侧的两个滚动轮间距，且两幅所述移动滑轮的间距的为整个导轨卡扣的长度的3/5，所述导轨卡扣的长度为整个作业平台的4/5。

[0029] 本发明另提供一种移动式水体表面漂浮物质受力测量装置的受力测量方法，包括以下步骤：

[0030] 步骤1、调节固定件的高度，使得测力传感器始终与漂浮物保持在同一平面；

[0031] 步骤2、在静水条件下，控制移动平台以设定好的速度运动，带动漂浮物运动，通过牵引力测量装置获取漂浮物受到的水体总牵引力 ，通过切应力测量装置获取漂浮物底部切应力 ，计算的粘滞阻力 和压强阻力 ， 为漂浮物在流速切向上的投影面积；使得压强阻力与粘滞阻力精确分开；

[0032] 步骤3、设置电机功率使得移动平台以不同速度和加速度在水槽上滑动，设置不同形状密度和厚度的漂浮物，记录多组数据；

[0033] 步骤4、采用控制单一变量法，分别计算压强阻力与粘滞阻力在不同流速差值、水深、漂浮物密度形态影响因素的变化系数，得出漂浮物的漂移机理。

[0034] 所述压强阻力与粘滞阻力在不同流速差值、水深、漂浮物密度形态影响因素的变化系数的计算方法如下：

[0035] 漂浮物漂移过程中受到的水流力表示为；

[0036]

[0037] 其中， 为漂浮物质量； 为漂浮物漂移速度；为时间;  为压强阻力； 为粘滞阻力； 为压强阻力系数； 为水体密度； 为水流流速； 为漂浮物在流速法向上的投影面积； 为粘滞阻力系数； 为漂浮物在流速切向上的投影面积；其中， 与漂浮物的平面形状特征，密度，厚度有关， 与雷诺数 和糙率 有关，则压强阻力系数与粘滞阻力系数的表达式为：

[0038]

[0039]

[0040] 其中， 表示形状特征的无量纲参数，当漂浮物的平面投影为矩形时， ，当为其他形状时， ； 为漂浮物浸没水中部分的厚度；为漂浮物的特征长度，取漂浮物沿水流方向的长度； 、 、 为二次函数的待定系数； 为漂浮物厚度， ；为漂浮物的密度；  为雷诺数， ， 为运动粘度， 为糙率；

[0041] ， ； 、 、 为层流过程中二次函数的待定系数； 、 、 为紊流过程中二次函数的待定系数；

[0042] 通过实际测得的 和 ，计算得到相应的粘滞阻力系数 和压强阻力系数 。

[0043] 本发明的技术效果和优点：该移动式水体表面漂浮物质受力测量装置及方法，使用方便，通过导轨与导轨卡扣的配合，实现了运行的稳定性，并与变频控制电机的连接，并通过两幅所述移动滑轮5的间距大于相同侧的两个滚动轮3间距，且两幅所述移动滑轮5的间距的为整个导轨卡扣4的长度的3/5，所述导轨卡扣4的长度为整个作业平台7的4/5的改进，减少了运动过程中的晃动，通过对变频控制电机的调节，适合多种场合的测量；通过固定件的调节，使漂浮物与水面的接触，减少测试过程中测量误差，将漂浮物材质设置为轻质塑料以及增加或减少的配重功能，提高了测试的灵活性。

附图说明

[0044] 图1为本发明的俯视图；

[0045] 图2为本发明侧视图；

[0046] 图3为本发明结构示意图；

[0047] 图4为本发明漂浮物俯视图；

[0048] 图5为本发明漂浮物侧视图；

[0049] 图6为本发明漂浮物触水面结构示意图；

[0050] 图7为本发明水槽单侧边壁俯视图

[0051] 图8为本发明水槽单侧边壁侧视图

[0052] 图9为本发明移动平台俯视图；

[0053] 图10为本发明移动平台侧视图；

[0054] 图11为本发明移动平台前视图；

[0055] 图12为本发明流程图。

[0056] 图中：1、导轨；2、水槽边壁；3、滚动轮；4、导轨卡扣；5、移动滑轮；6、变频控制电机；7、作业平台；8、测力传感器；9、牵引软绳；10、固定件；11、测力传感器数据连接线；12、测力传感器记录仪器；13、漂浮物；14、切应力传感片；15、连接数据线；16、切应力数据记录仪；
17、转动轴；18、转动轴把柄。

具体实施方式

[0057] 下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

[0058] 本发明提供了如图1、图2、图3中所示的一种移动式水体表面漂浮物13受力测量装置，包括:

[0059] 水槽；如图7、图8所示，所述水槽腔体内设置有导轨1，本实施例中，水槽两边各固定好导轨1；

[0060] 漂浮物13，如图4、图5、图6所述漂浮物13具有配重功能。本实施例中，通过配重实现漂浮物13的 、 … 等多种密度特性；本实施例中，漂浮物13为正方体、长方体或圆柱体中任意一种；

[0061] 牵引力测量装置，所述牵引力测量装置与所述漂浮物13相连接，用于牵引漂浮物13运动获取总牵引力的数据；所述牵引力测量装置包括：

[0062] 测力传感器8，所述测力传感器8与漂浮物13保持在同一平面；

[0063] 测力传感器记录仪器12，所述测力传感器记录仪器12通过测力传感器数据连接线11获取测力传感器的信号，并保存数据；每秒钟记录10个数据，在移动平台向前移动的过程中，通过牵引绳牵引漂浮物13运动，同时传感器记录此过程中的总牵引力与记录点中，为此次实验过程中总牵引力的数据源；

[0064] 牵引软绳9，所述牵引软绳9一端固定于测力传感器8，另一端与漂浮物13相连接主要功能为传递牵引力；其运动过程中保持与水面平行，以保证牵引力数据的准确性。

[0065] 固定件10，用于安装测力传感器8，并调节高度，以适应水槽不同的水深条件，使得测力传感器8始终与漂浮物13保持在同一平面以确认牵引力数据的准确性；

[0066] 所述固定件10通过齿轮与作业平台7相连接，所述齿轮与转动轴17啮合，所述转动轴17转动时带动齿轮使固定件10上下运动，且所述转动轴设置有用于方便转动的转动轴把柄18。

[0067] 切应力测量装置，所述切应力测量装置用于获取所述漂浮物13移动过程中接触水面的水流切应力数据；

[0068] 所述切应力测量装置包括：

[0069] 切应力传感片14；本实施例中，切应力传感器为波片，贴于漂浮物13表面，其数据随记录线记录于移动平台上。

[0070] 切应力数据记录仪16，所述切应力数据记录仪16通过连接数据线15与所述切应力传感片14相连接，用于记录切应力数据，设置与测力传感器记录仪器12同步开启记录；每秒钟记录10个数据，在移动平台向前移动的过程中，漂浮物13触水面收到水流的切应力的作用，通过传感器测量并记录，

[0071] 其中，所述连接数据线15的材质为软性；只起到连接的作用且并不受力，不会影响总牵引力数据的准确性；

[0072] 移动平台，如图9、图10、图11所述移动平台沿水槽驱动所述牵引力测量装置、切应力测量装置移动。所述移动平台包括：

[0073] 作业平台7，所述作业平台7用于承载牵引力测量装置、切应力测量装置；

[0074] 滚动轮3，所述滚动轮3包括两个从动轮以及两个用于驱动作业平台7沿着水槽导轨1移动的驱动轮；

[0075] 变频控制电机6，所述变频控制电机6与两个驱动轮相连接，并设置电机功率控制所述作业平台运动速度；主要为移动平台输出动力，设置电机功率以控制移动平台运动速度；

[0076] 导轨卡扣4，所述导轨卡扣4固定于作业平台7，用于限制作业平台7前进方向；

[0077] 移动滑轮5，所述移动滑轮5连接于导轨卡扣4，用于抵触导轨1，以最大限度的稳定电机运行中控制台的运行速度，使得控制移动平台沿着水槽导轨前后移动；

[0078] 所述导轨卡扣4分别固定于作业平台7的两侧面，其向下延伸至导轨1下方，并构成L型，所述作业平台7的两个侧面的导轨卡扣4分别连接有同一直线分布的两幅移动滑轮5，两幅所述移动滑轮5的间距大于相同侧的两个滚动轮3间距，且两幅所述移动滑轮5的间距的为整个导轨卡扣4的长度的3/5，所述导轨卡扣4的长度为整个作业平台7的4/5。

[0079] 本发明另提供一种移动式水体表面漂浮物13受力测量装置的受力测量方法，如图12所示，包括以下步骤：

[0080] 步骤1、调节固定件10的高度，使得测力传感器8始终与漂浮物13保持在同一平面；

[0081] 步骤2、在静水条件下，控制移动平台以设定好的速度运动，带动漂浮物13运动，通过牵引力测量装置获取漂浮物13受到的水体总牵引力 ，通过切应力测量装置获取漂浮物13底部切应力 ，计算的粘滞阻力 和压强阻力 ， 为漂浮物在流速切向上的投影面积；使得压强阻力与粘滞阻力精确分开；

[0082] 步骤3、设置电机功率使得移动平台以不同速度和加速度在水槽上滑动，设置不同形状密度和厚度的漂浮物13，记录多组数据；

[0083] 步骤4、采用控制单一变量法，分别计算压强阻力与粘滞阻力在不同流速差值、水深、漂浮物13密度形态影响因素的变化系数，得出漂浮物13的漂移机理；压强阻力与粘滞阻力在不同流速差值、水深、漂浮物密度形态影响因素的变化系数的计算方法如下：

[0084] 漂浮物漂移过程中受到的水流力表示为；

[0085]

[0086] 其中， 为漂浮物质量； 为漂浮物漂移速度；为时间;  为压强阻力； 为粘滞阻力； 为压强阻力系数； 为水体密度； 为水流流速； 为漂浮物在流速法向上的投影面积； 为粘滞阻力系数； 为漂浮物在流速切向上的投影面积；其中， 与漂浮物的平面形状特征，密度，厚度有关， 与雷诺数 和糙率 有关，则压强阻力系数与粘滞阻力系数的表达式为：

[0087]

[0088]

[0089] 其中， 表示形状特征的无量纲参数，当漂浮物的平面投影为矩形时， ，当为其他形状时， ； 为漂浮物浸没水中部分的厚度；为漂浮物的特征长度，取漂浮物沿水流方向的长度； 、 、 为二次函数的待定系数； 为漂浮物厚度， ；为漂浮物的密度；  为雷诺数， ， 为运动粘度， 为糙率；

[0090] ， ； 、 、 为层流过程中二次函数的待定系数； 、 、 为紊流过程中二次函数的待定系数；

[0091] 通过实际测得的 和 ，计算得到相应的粘滞阻力系数 和压强阻力系数 。

[0092] 该移动式水体表面漂浮物质受力测量装置及方法，使用方便，通过导轨1与导轨卡扣4的配合，实现了运行的稳定性，并与变频控制电机6的连接，并通过两幅所述移动滑轮5的间距大于相同侧的两个滚动轮3间距，且两幅所述移动滑轮5的间距的为整个导轨卡扣4的长度的3/5，所述导轨卡扣4的长度为整个作业平台7的4/5的改进，减少了运动过程中的晃动，通过对变频控制电机6的调节，适合多种场合的测量；通过固定件10的调节，使漂浮物13与水面的接触，减少测试过程中测量误差，提高了测量的精度，将漂浮物13材质设置为轻质塑料以及增加或减少的配重功能，提高了测试的灵活性。

[0093] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。