CN103437402A - 一种新型内波实验水槽供水系统及供水方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型内波实验水槽供水系统及供水方法，供水系统包括第一箱体、第二箱体、实验水槽以及控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息，计算出每一时刻箱体之间蠕动泵的流量，并控制蠕动泵按照预设流量将液体抽入到混合水箱中混合，再将混合后的水注入实验水槽中，在实验水槽中实现了任意密度的剖面。因而，本发明除了可以实现两层和线性分层密度剖面之外，还可以方便快捷的制取任意密度剖面的分层水，这对物理海洋实验室进行内波实验研究具有非常重要的意义。

Description

一种新型内波实验水槽供水系统及供水方法
技术领域
本发明属于海洋内波技术领域，具体地说，是涉及一种内波实验水槽供水系统及供水方法。
背景技术
海洋内波是海洋中重要的中尺度现象，它是连接大尺度到小尺度能量传输的中间环节，在整个物理海洋研究中起着重要的作用。由于观测资料的匮乏，实验室中进行内波实验成为研究内波的一种重要途径，它能将各种因素孤立起来处理，可以进行内波的生成、传播与消衰机制等的研究。其中分层水制取及供水系统决定了内波实验研究的背景场，通过配置不同比例的盐水，获得不同的密度分层。
目前国内内波实验室采用的是双缸法进行分层水的制取。双缸中一个用于存放淡水，另一个用于存放给定密度的盐水，通过搅拌器使盐水缸的盐加速溶化和均匀。双缸法可以用于制取两层密度剖面和线性密度剖面的分层流体。对于两层密度剖面的制取，需要先把淡水放入水槽，再将盐水缓慢放入，使盐水能够尽量沿界面水平扩散，最后达到稳定层结；对于线性密度分层的制取, 在保证出水口流量不变的情况下，该水槽可自行生成预先设置的线性密度剖面。
双缸法进行分层水的制取，虽然简单方便并且易于操作，但是当实验需要在任意密度剖面的分层下进行时，利用双缸法就无法获得。在真实的海洋中，其密度随深度的分布，一般不是渐变的，而是具有一个很大的阶跃,有时呈现为一系列的阶跃，即密度与深度的关系是非线性的。为了在实验室实现任意稳定的非线性密度剖面，必须对出水流速进行调节，不过剖面越复杂, 制取该剖面所需的时间就越长，而且操作也变得更加复杂。同时，目前实验室采用的双缸法在制备多层分层时，总分层时间过长，每层生成的先后时间相隔又太长，使得分子扩散的均匀度不同，因而很难达到一个预置的密度剖面。由于在制备技术上的限制，导致我国国内很多内波实验无法开展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型内波实验水槽供水系统，解决了双缸法不能够制取任意密度剖面的分层的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种新型内波实验水槽供水系统，包括第一箱体、第二箱体以及实验水槽，第一箱体和第二箱体之间通过水管连接，水管上设置有泵体，泵体将第一箱体中的液体泵入第二箱体或者将第二箱体中的液体泵入第一箱体后混合形成混合水；第一箱体和/或第二箱体和实验水槽之间通过水管连接，水管上设置有泵体，泵体将第一箱体或第二箱体中的混合水泵入实验水槽；供水系统还包括控制单元，控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息控制第一箱体和第二箱体之间的泵体的流量。
由于密度不仅仅由盐度决定，还与温度有关系，因而在第一箱体和/或第二箱体与实验水槽之间的水管上设置有温控装置。
为了使得箱体中的水能够快速均匀的混合，第一箱体和/或第二箱体中设置有搅拌装置。
一方面，连接实验水槽的水管可以连接在实验水槽的底部。
另一方面，连接实验水槽的水管连接在实验水槽的顶部，在实验水槽内放置有漂浮物，可以减小由于防水速度过快引起的混合。
为了对水流量进行更加精确的控制，泵体为蠕动泵。
基于上述内波实验水槽供水系统的设计，本发明还提出了一种新型内波实验水槽供水方法，包括如下步骤：
控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息计算并控制第一箱体中的盐水泵入第二箱体的流量；
将第二箱体内的淡水与盐水混合均匀，形成混合水；
第二箱体中的混合水以恒定流量流入实验水槽。
进一步的，第二箱体中的混合水以恒定流量Q2流入实验水槽的底部，第一箱体中的盐水泵入第二箱体的流量为：
Figure 2013104206193100002DEST_PATH_IMAGE002A
其中，s0表示第一箱体中盐的浓度，s(t)表示t时刻实验水槽中盐的浓度。
另一方面，供水方法包括如下步骤：
控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息计算并控制第二箱体中的淡水泵入第一箱体的流量；
将第一箱体内的盐水与淡水混合均匀，形成混合水；
第一箱体中的混合水以恒定流量流入实验水槽。
进一步的，第一箱体中的混合水以恒定流量Q2流入实验水槽的顶部，第二箱体中的淡水泵入第一箱体的流量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
其中，s0表示第一箱体中盐的浓度，s(t)表示t时刻实验水槽中盐的浓度。
由于密度不仅仅由盐度决定，还与温度有关系，因而在混合水箱中的混合水流入实验水槽之前还包括温度控制的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明建立了一套新型的内波水槽供水系统，控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息，计算出每一时刻箱体之间泵体的流量，并控制蠕动泵按照预设流量将液体抽入到混合水箱中混合，再将混合后的水注入实验水槽中，在实验水槽中实现了任意密度的剖面。因而，本发明除了可以实现两层和线性分层密度剖面之外，还可以方便快捷的制取任意密度剖面的分层水，这对物理海洋实验室进行内波实验研究具有非常重要的意义。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1为本发明具体实施例1的示意图。
图2为本发明具体实施例2的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
具体实施例1：
如图1所示，本实施例提出了一种新型内波实验水槽供水系统，包括用于承载盐水的盐水箱、初始状态盛装有淡水的混合水箱以及能够形成任意密度剖面的实验水槽。其中，盐水箱上设置有进水管，用于向盐水箱内添加盐水，盐水箱和混合水箱之间通过水管连接，水管上设置有蠕动泵，蠕动泵将盐水箱中的盐水以预设的流量泵入混合水箱，盐水与混合水箱初始状态盛装的淡水混合后形成混合水。在混合水箱的顶部也设置有进水管，用于初始状态向混合水箱中添加淡水，在混合水箱中设置有搅拌装置，可以使混合水箱中的水能够与从盐水箱中泵入混合水箱中的盐水快速均匀的混合。混合水箱和实验水槽之间通过水管连接，水管上设置有蠕动泵，蠕动泵将混合水箱中的混合水泵入实验水槽，在实验水槽内形成不同密度的水层。
供水系统还包括控制单元，控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息，计算出相应时刻盐水箱和混合水箱之间的蠕动泵的流量，并对蠕动泵进行控制。
在混合水箱和实验水槽之间的水管上还设置有温控装置，保证实验水槽的液体的密度。
连接实验水槽的水管连接在实验水槽的底部。
基于上述内波实验水槽供水系统的设计，本发明还提出了一种新型内波实验水槽供水方法，供水方法包括如下步骤：
控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息s(t)，计算并控制盐水箱中的盐水泵入混合水箱的流量：
其中，s0表示盐水箱中盐的浓度，s(t)表示t时刻实验水槽中盐的浓度，Q2表示混合水箱中混合水流入实验水槽的恒定流量。
将混合水箱内的水混合均匀；
混合水箱中的混合水经过温控装置后以恒定流量Q2流入实验水槽。
其中，上述流量Q(t)与s(t)之间关系式的推导过程如下：
从盐水箱向混合水箱中进行抽水的流量为Q(t)。最终放水完成后水槽中水的盐浓度为s(h)，h为水的深度，因为Q2是恒定量，且水槽是长方体形的（即水槽的每一高度处的截面积相等），则s(h)可以表示为s(t)。在混合水箱中有搅拌器不断地进行搅拌，搅拌是足够充分的，则混合水箱中的混合水的密度每一瞬时都是均匀的，用s(t)来表示混合水箱中的盐浓度，也即t时刻实验水槽中盐的浓度。进而可以通过混合水箱中盐的质量为如下方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
                      （1）
其中，V表示混合水箱中初始时刻的水的体积。
对（1）进行微分，整理后得到，
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
                                （2）
对（2）再次对t微分得到，
                          （3）
通过（3）可以得到Q(t)。
具体实施例2：
如图2所示，本实施例提出了一种新型内波实验水槽供水系统，包括用于承载淡水的淡水箱、初始状态盛装有盐水的混合水箱以及形成任意密度剖面的实验水槽。其中，淡水箱上设置有进水管，用于向淡水箱内添加淡水，淡水箱和混合水箱之间通过水管连接，水管上设置有蠕动泵，蠕动泵将淡水箱中的淡水以预设的流量泵入混合水箱，淡水与混合水箱初始状态盛装的盐水混合后形成混合水。在混合水箱的顶部也设置有进水管，用于初始状态向混合水箱中添加盐水，在混合水箱中设置有搅拌装置，可以使混合水箱中的水能够与从淡水箱中泵入混合水箱中的淡水快速均匀的混合。混合水箱和实验水槽之间通过水管连接，水管上设置有蠕动泵，蠕动泵将混合水箱中的混合水泵入实验水槽，在实验水槽内形成不同密度的水层。
供水系统还包括控制单元，控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息，计算出相应时刻淡水箱和混合水箱之间的蠕动泵的流量，并对蠕动泵进行控制。
在混合水箱和实验水槽之间的水管上还设置有温控装置，保证实验水槽的液体的密度。
连接实验水槽的水管连接在实验水槽的顶部。在实验水槽内放置有漂浮物，以减小由于防水速度过快引起的混合。
基于上述内波实验水槽供水系统的设计，本发明还提出了一种新型内波实验水槽供水方法，供水方法包括如下步骤：
控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息s(t)，计算并控制淡水箱中的淡水泵入混合水箱的流量：
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
其中，s0表示盐水箱中盐的浓度，s(t)表示t时刻实验水槽中盐的浓度，Q2表示混合水箱中混合水流入实验水槽的恒定流量。
将混合水箱内的水混合均匀；
混合水箱中的混合水经过温控装置后以恒定流量Q2流入实验水槽。
其中，上述流量Q(t)与s(t)之间关系式的推导过程如下：
从淡水箱向混合水箱中进行抽水的流量为Q(t)。最终放水完成后水槽中水的盐浓度为s(h)，h为水的深度，因为Q2是恒定量，且水槽是长方体形的（即水槽的每一高度处的截面积相等），则s(h)可以表示为s(t)。在混合水箱中有搅拌器不断地进行搅拌，搅拌是足够充分的，则混合水箱中的混合水的密度每一瞬时都是均匀的，用s(t)来表示混合水箱中的盐浓度，也即t时刻实验水槽中盐的浓度。进而可以通过盐水箱中盐的质量为如下方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
整理得到，
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
 因而，得到Q(t)。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种新型内波实验水槽供水系统，包括第一箱体、第二箱体以及实验水槽，其特征在于：所述第一箱体和第二箱体之间通过水管连接，所述水管上设置有泵体，所述泵体将第一箱体中的液体泵入第二箱体或者将第二箱体中的液体泵入第一箱体后混合形成混合水；所述第一箱体和/或第二箱体与实验水槽之间通过水管连接，所述水管上设置有泵体，所述泵体将第一箱体或第二箱体中的混合水泵入实验水槽；所述供水系统还包括控制单元，所述控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息控制第一箱体和第二箱体之间的泵体的流量。
2.根据权利要求1所述的新型内波实验水槽供水系统，其特征在于：所述第一箱体和/或第二箱体与实验水槽之间的水管上设置有温控装置。
3.根据权利要求1或2所述的新型内波实验水槽供水系统，其特征在于：所述第一箱体和/或第二箱体中设置有搅拌装置。
4.根据权利要求1或2所述的新型内波实验水槽供水系统，其特征在于：所述连接实验水槽的水管连接在实验水槽的底部。
5.根据权利要求1或2所述的新型内波实验水槽供水系统，其特征在于：所述连接实验水槽的水管连接在实验水槽的顶部，所述实验水槽内放置有漂浮物。
6.一种新型内波实验水槽供水方法，其特征在于：所述供水方法包括如下步骤：
控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息计算并控制第一箱体中的盐水泵入第二箱体的流量；
将第二箱体内的淡水与盐水混合均匀，形成混合水；
第二箱体中的混合水以恒定流量流入实验水槽。
7.根据权利要求6所述的新型内波实验水槽供水方法，其特征在于：所述第二箱体中的混合水以恒定流量Q2流入实验水槽的底部，所述第一箱体中的盐水泵入第二箱体的流量为：
Figure 619595DEST_PATH_IMAGE002
 其中，s0表示第一箱体中盐的浓度，s(t)表示t时刻实验水槽中盐的浓度。
8.一种新型内波实验水槽供水方法，其特征在于：所述供水方法包括如下步骤：
控制单元根据实验水槽需要形成的剖面密度分布信息计算并控制第二箱体中的淡水泵入第一箱体的流量；
将第一箱体内的盐水与淡水混合均匀，形成混合水；
第一箱体中的混合水以恒定流量流入实验水槽。
9.根据权利要求8所述的新型内波实验水槽供水方法，其特征在于：所述第一箱体中的混合水以恒定流量Q2流入实验水槽的顶部，所述第二箱体中的淡水泵入第一箱体的流量为：
Figure 536735DEST_PATH_IMAGE004
其中，s0表示第一箱体中盐的浓度，s(t)表示t时刻实验水槽中盐的浓度。
10.根据权利要求6-9中任意一项所述的新型内波实验水槽供水方法，其特征在于：在所述混合水箱中的混合水流入实验水槽之前还包括温度控制的步骤。
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