CN103868671A - 一种密度分层流体的制取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密度分层流体的制取方法，为海洋分层环境实验室模拟提供简单有效的分层技术。本发明采用自动控制方法控制淡水箱和盐水箱的出水流量；设置混合器，使盐水和淡水充分混合；设置增压泵，使盐水和淡水以可控的速度注入分层水池，形成分层流体；采用PID技术调节电动阀的开度、采用变频器调节增压泵的转速，组成双重调节方法，精确控制盐水和淡水的流量，使其按照预先设定的流量变化规律调节，从而制取包括跃变分层和线性分层在内的任意曲线的密度分层剖面。本发明的分层时间可控，设备易于布置，操作方便，应用灵活性高。

Description

一种密度分层流体的制取方法

技术领域

本发明涉及海洋分层环境模拟方法，尤其涉及一种采用盐度分布模拟海洋密度分层环境的方法。

背景技术

由于温度和盐度原因而导致的密度垂向分层是海洋中的一种普遍现象。当分层海洋受到扰动时，就会产生大振幅的海洋内部波动，简称内波。内波在海洋中起着重要的动力学作用，是能量和动量垂向传输的重要载体，内波也会对海洋结构物的性能产生影响甚至产生破坏作用。试验研究是内波的一种重要的基础性研究手段，海洋分层环境的模拟是内波试验研究的先决条件。

由于盐（NaCl）易溶于水，价格低廉，扩散缓慢，而且无毒，被广泛应用于分层流体的制取。制取分层流体一般采用标准双缸法，由于这种方法可以制取线性分层，得到了广泛的应用，但是这种方法流量靠重力自流，系统配置很占空间，若分层水池较大，需要两个很大的较大容积的水箱（一个盐水、一个搅拌水箱），且搅拌水箱要预先根据线性分层来冲入淡水，分层过程中要不停的搅拌。另外不能制取模拟真实海洋的任意分层形式。

发明内容

针对上述问题和试验研究需求，申请人经过研究改进，提供一种流量能够主动精确控制、可实现任意密度分层形式的密度分层流体的制取方法。

本发明的技术方案如下：

一种密度分层流体的制取方法，包括以下步骤：

1）组建密度分层系统：所述密度分层系统包括盐水箱、淡水箱、两个流量计、两个电动阀、PID控制装置、增压泵、变频器、混合器、注水装置、分层水池以及连接管件；所述盐水箱、淡水箱分别通过连接管件连接至增压泵，增压泵通过连接管件顺序连接混合器、注水装置后连接至分层水池；所述盐水箱、淡水箱与增压泵之间的连接管件上分别设置流量计以及电动阀；所述两个流量计与PID控制装置以及变频器电气连接，所述PID控制装置与两个电动阀电气连接，所述变频器与增压泵电气连接；

2）启动密度分层系统：所述流量计测量流量，并实时反馈给PID控制装置和变频器；所述电动阀接受PID控制装置的指令，保持开度并维持流量；所述PID控制装置实时调节电动阀的开度；所述增压泵为流体输送提供动力，并通过变频器控制转速以调节流量；所述变频器根据实时设定的流量以及流量测量值与设定值偏差实时控制增压泵的转速以调节泵的流量；所述混合器对盐水和淡水进行混合；所述注水装置通过多个注水口向分层水池注水；

3）根据以下公式计算分层过程中为获得既定的分层形式所需要的盐水和淡水流量的实时变化值：

式中，Q_盐为盐水的流量，Q_淡为淡水的流量，Q为分层水池进水总流量，A为分层水池截面积，ρ为目标密度分层曲线，ρ_盐为盐水的密度，ρ_淡为淡水的密度；

4）按步骤3）中得到的流量变化值，通过所述密度分层系统实时调节盐水和淡水的流量，得到目标分层形式。

本发明的有益技术效果是：

本发明为海洋分层环境实验室模拟提供了一种简单有效的分层技术，通过主动控制流量，可以制取包括跃变分层和线性分层在内的任意曲线分层形式。

本发明采用自动控制方法控制淡水箱和盐水箱的出水流量；设置混合器，使盐水和淡水充分混合；设置增压泵，使盐水和淡水以可控的速度注入分层水池，形成分层流体；采用PID技术调节电动阀的开度、采用变频器调节增压泵的转速，组成双重调节方法，精确控制盐水和淡水的流量，使其按照预先设定的流量变化规律调节。

与以往密度分层只能线性分层不同，本发明可以通过调节电动阀的开度和增压泵的转速以控制淡水箱和盐水箱的出水流量按照预先设定的流量变化规律调节，从而获得所需要的任意密度分层剖面。本发明的分层方法对淡、盐水箱没有严格的容积要求，盐水箱和淡水箱也不用在分层过程中不停地搅拌，可以先搅拌好达到密度后分层。只需要多加一个混合器，通过阀和流量计主动控制流量，就可以分出不同曲线形式的分层流体，且分层时间可控，大大节省了时间。设备易于布置，操作方便，应用灵活性高。

附图说明

图1是本发明密度分层系统原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本发明的密度分层系统由盐水箱、淡水箱、流量计、电动阀、PID控制装置、增压泵、变频器、混合器、注水装置、分层水池以及连接管件组成。流量计用于测量盐水和淡水的流量，并实时反馈给PID控制装置。电动阀接受PID控制装置的指令，保持一定的开度，维持一定的流量。PID控制装置实时调节电动阀的开度。增压泵是流体输送的动力源，并可通过变频器控制转速以调节流量。变频器根据实时设定的流量以及流量测量值与设定值偏差实时控制增压泵的转速以调节泵的流量。混合器用于使盐水和淡水充分混合。注水装置由若干个注水口组成，并分别加装出水口挡水板，可减小进水扰动。

设分层水池的总容积为V，截面积为A，水深为H，则有

V=A×H    （1）

分层流水池进水总流量为Q，盐水的流量为Q_盐，淡水的流量为Q_淡，则有

Q=Q_盐+Q_淡    （2）

若密度分层曲线为ρ(z)，ρ为分层流体的密度，z为水池垂向深度坐标函数，池底坐标为0，向上为正。盐水的密度为ρ_盐，淡水的密度为ρ_淡。则分层流体中盐水和淡水各自所占的百分比可表示为

显然，

α_淡+α_盐=1    （5）

分层注水过程中，分层水池的水深为

$z\left(t\right)=\frac{Q\×t}{A}---\left(6\right)$

将（6）代入（3）和（4）可得，

则，分层注水过程中盐水和淡水的流量分别为

Q_盐(t)=α_盐(t)×Q    （9）

Q_盐(t)=α_盐(t)×Q    （10）

即，

由式（9）和（10）可知，给定密度分层曲线函数关系ρ(z)，就可以确定分层过程中为获得既定的分层形式所需要的盐水和淡水流量的实时变化值。通过密度分层系统的电动阀和增压泵实时调节盐水和淡水按设定的流量变化规律变化，就可以得到所需的分层形式。

a.特别的，若控制流量，先放淡水，再放盐水，则形成跃变分层。

对于跃变分层，密度分层曲线函数关系表达式为

其中，H1为下层盐水的水深。

b.若控制盐水和淡水总流量不变，淡水随时间线性减少，盐水随时间增加，则形成线性分层。

对于线性分层，密度分层曲线函数关系表达式为

c.若控制盐水和淡水流量按一定规律变化，则可以形成特定形式的密度分层流体。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种密度分层流体的制取方法，其特征在于包括以下步骤：

1）组建密度分层系统：所述密度分层系统包括盐水箱、淡水箱、两个流量计、两个电动阀、PID控制装置、增压泵、变频器、混合器、注水装置、分层水池以及连接管件；所述盐水箱、淡水箱分别通过连接管件连接至增压泵，增压泵通过连接管件顺序连接混合器、注水装置后连接至分层水池；所述盐水箱、淡水箱与增压泵之间的连接管件上分别设置流量计以及电动阀；所述两个流量计与PID控制装置以及变频器电气连接，所述PID控制装置与两个电动阀电气连接，所述变频器与增压泵电气连接；

2）启动密度分层系统：所述流量计测量流量，并实时反馈给PID控制装置和变频器；所述电动阀接受PID控制装置的指令，保持开度并维持流量；所述PID控制装置实时调节电动阀的开度；所述增压泵为流体输送提供动力，并通过变频器控制转速以调节流量；所述变频器根据实时设定的流量以及流量测量值与设定值偏差实时控制增压泵的转速以调节泵的流量；所述混合器对盐水和淡水进行混合；所述注水装置通过多个注水口向分层水池注水；

3）根据以下公式计算分层过程中为获得既定的分层形式所需要的盐水和淡水流量的实时变化值：

式中，Q_盐为盐水的流量，Q_淡为淡水的流量，Q为分层水池进水总流量，A为分层水池截面积，ρ为目标密度分层曲线，ρ_盐为盐水的密度，ρ_淡为淡水的密度；

4）按步骤3）中得到的流量变化值，通过所述密度分层系统实时调节盐水和淡水的流量，得到目标分层形式。

2.根据权利要求1所述密度分层流体的制取方法，其特征在于：所述注水装置的各注水口处分别安装有出水口挡水板。

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