CN104297139B - 一种室内潮波生成器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种室内潮波生成器及其使用方法，包括潮波套管系统、盐水箱、水泵、连接系统、半活动式转轮、电机和与电机相连的变压器，潮波套管系统包括外管、底座以及安装于外管内部的套管，套管内套有内溢流管，内溢流管的另一端依次连通盐水箱和水泵，水泵的另一端与外管相连通；连接系统包括支架、定滑轮以及穿过定滑轮的钢丝绳，钢丝绳的一端连接于套管顶部，另一端连接于半活动式转轮；半活动式转轮安装于转动杆的一端，转动杆另一端与电机和变压器相连接。本发明的各部件布置合理占用空间小，结构简单，造价低廉，性能可靠，可灵活设置、稳定产生不同周期、不同振幅、不同水位的潮波信号条件；还可克服套管的阻碍作用，使得潮波信号更稳定。

Description

一种室内潮波生成器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种模拟海洋潮汐实验装置，具体涉及一种室内潮波生成器及其使用方法。

背景技术

随着沿海地区人口的剧烈增长、生产生活的日益频繁，以地下水作为城市发展水源供给的传统供水方式一方面引发了地下水水位过度下降，造成愈发严重的盐水入侵问题，进一步污染了水源，影响沿海地区的正常生活和社会发展；另一方面造成了大面积的土地盐碱化，对于沿海地区的生态环境造成了重要影响，土地质量受损、生态群落不复存在，原有淡水生物群落减少甚至濒临灭绝。

防治盐水入侵问题已成为一个刻不容缓的问题，越来越多的研究者也在致力于这一领域的研究。鉴于海水入侵涉及的因素复杂，借助于物理模型实验进行机理研究，可获得较为直观的结果，也成为世界各国研究者的共同选择。然而以往研究者往往忽略或简化海洋的条件，尤其是海洋重要的水动力因素——潮汐作用，将海洋作为静水处理，这样无法准确描述海洋动力特征，对于海水入侵及相关的海岸带研究无法合理揭示，而在以往研究中，潮波生成器造价高，且性能不稳定。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有海岸带研究过程中，或者忽略潮汐作用或者将潮汐作用简化为线性变化、并且潮波装置可控条件少、调整及操作较为复杂等存在的不足，提供一种室内潮波生成器及其使用方法，通过传动装置带动套管做周期性正弦运动，模拟海洋潮汐作用，利用简单的物理原理，其结构简单，造价低廉，性能可靠，使用方便。

技术方案：本发明的一种室内潮波生成器，包括潮波套管系统、盐水箱、水泵、连接系统、半活动式转轮和电机，所述潮波套管系统包括外管、安装于外管底部的底座以及安装于外管内部的套管，套管内部的底部套有内溢流管，内溢流管的另一端依次连通盐水箱和水泵，水泵的另一端与外管相连通；所述连接系统包括支撑于潮波套管系统上方的支架、安装于支架顶端的定滑轮以及穿过定滑轮的钢丝绳，所述钢丝绳的一端连接于套管顶部使套管悬于内溢流管，另一端连接于半活动式转轮；所述半活动式转轮安装于转动杆的一端，转动杆的另一端与电机相连接，电机上还连接有变压器；盐水由盐水箱泵入潮波套管系统，在套管上下移动过程中，盐水在套管的阻挡下维持相应的高度；当盐水水位超过套管水位后，多余部分从内溢流管溢出流入盐水箱，从而通过套管高度的变化调节潮波套管系统内盐水水位。

为了进一步的模拟实际海洋环境，所述外管还与盐水库相连接，且外管、套管和内溢流管三者同心，套管在钢丝绳的牵引下可沿着内溢流管上下移动。

进一步的，所述套管底端的外壁上套有不锈钢环，能够防止套管在下落过程中受到内溢管摩擦而无法降落。

进一步的，所述转动杆的一端设有机芯孔，该机芯孔与电机的机芯孔重叠，所述转动杆的另一端设有凹槽，凹槽中安装有半活动式转轮，所述半活动式转轮以电机为中心作圆周运动以此改变套管的振幅。

内溢流管的底部设有第一控制阀门，第一控制阀门上设有导管与盐水箱相连通，由此便可形成一个溢流循环和水位控制系统，即：盐水由盐水箱泵入套管系统，在套管的上下移动过程中，盐水在套管的阻挡下维持相应的高度，当超过套管水位后，多余部分从内溢流管溢出流入盐水箱，最终潮波套管系统内盐水水位可由套管高度控制。

所述外管与盐水库之间设有第二控制阀门，进而可形成连通器，使得盐水库中的水位与潮波套管系统中盐水的水位保持同步，即，只要控制好潮波套管系统的水位即可控制试验中模拟真实海洋环境的盐水可的水位。

现有电机(市场上一般为2级电机)转速为3000转每分钟，转速极快，从而导致潮波水位的极速升降，无法产生模拟正弦潮波信号；本发明中，电机与变速器连接，通过变速器将电机的转速由3000转每分钟降低至0.2～10转每分钟，实现周期的大幅调整(即粗调)；再通过变压器调整电压，实现周期的小幅调整(即微调)，以适合实验的需求。

本发明还公开了一种室内潮波生成器的使用方法，包括以下步骤：

A、按实验所需，在盐水箱中配好盐水，按设定的潮汐振幅来移动半活动式转轮，然后固定于在转动杆的凹槽中，拉紧钢丝绳一端并系紧与半活动转轮上；

B、确定实验所需设定的周期、振幅和平衡位置，关闭与盐水库相连的第二控制阀门，打开水泵、电机和变压器及相应的进出水阀门，随套管升降观察潮波套管系统中的盐水水位，刻画初始最高、最低以及平衡潮波水位，并区分划出实验设定的最高、最低和平衡潮波水位，依此进行比较调整直至满足实验设定要求；

C、待周期、振幅和平衡位置满足预定要求后，打开与盐水箱连接的第一控制阀门，潮波生成器中的盐水即可进入盐水区，形成有潮波条件的海洋边界。

进一步的，所述步骤B中调整实验预定的最高、最低和平衡潮波水位的具体调整方法为：在潮波水位处于刻画的平均位置时，关闭电机；然后通过拉动钢丝绳的方式重新调整套管的高度，在实验所要设定的平均位置处将钢丝绳的另一端固定在半活动式转轮上，即可获得所需潮波平衡位置，平衡位置和振幅确定后，即相应的确定出最高、最低潮波水位，即获得实验设定的潮波条件。

有益效果：本发明，与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明利用简单的物理原理，精巧的设计了造价低廉且高效的潮波生成器，结构简单，造价低廉，性能可靠。

(2)本发明充分利用潮波套管系统及连通器原理、合理布置各部件、占用空间小、结构简单容易操作。

(3)本发明充分利用几何原理设计转动杆及半活动式转轮，可以达到灵活设置、稳定产生不同周期、不同振幅、不同水位的潮波信号条件的效果，为解决海岸带问题提供可靠的技术支撑。

(4)本发明通过电机周期性的转动从而带动套管的周期性的上下移动模拟海洋的潮汐作用。

(5)本发明还通过在套管下方设置不锈钢环，克服套管的阻碍作用，使得潮波信号更稳定。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中连动杆的细部构造示意图；

图3为本发明产生的实际潮波信号与标准正弦信号对比示意图；

图4为有无潮汐条件下的海水入侵实验对比图；

图5为本发明的原理分析图；

图6为图5的局部放大图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案结合附图进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明的一种室内潮波生成器，包括潮波套管3系统、盐水箱7、水泵6、连接系统、半活动式转轮14和电机12，潮波套管3系统包括外管1、安装于外管1底部的底座5以及安装于外管1内部的套管3，套管3内部的底部套有内溢流管2，内溢流管2的另一端依次连通盐水箱7和水泵6，水泵6的另一端与外管1相连通，外管1的另一端还有用以模拟真实海洋环境的盐水库8相连通；连接系统包括支撑于潮波套管3系统上方的支架11、安装于支架11顶端的定滑轮10以及穿过定滑轮10的钢丝绳9，钢丝绳9的一端连接于套管3顶部，另一端连接于半活动式转轮14；半活动式转轮14安装于转动杆13的一端，转动杆13的另一端与电机12相连接，电机12上还连接有变压器15，通过变压器15能够达到变压和稳压的作用，进而调整并稳定电压来控制电机12电流的强弱，以此达到控制电机12转动快慢，最终模拟并精确控制所需稳定的潮汐周期。

其中，钢丝绳9的一端连接套管3，另一端连接于转动杆13上的半活动式转轮14，这样既起到了连接潮波套管3系统及转动杆13的作用，又能够便于调整套管3的位置，而且钢丝绳9的占用空间小，可以通过控制钢丝绳9的长短，进而确定模拟潮波信号的平均海水位，通过转动杆13的固定位置确定振幅。

套管3底端的外壁上套有不锈钢环4，套管3在钢丝绳9的牵引下可沿着内溢流管2上下移动。不锈钢环4既能够防止由于套管3过轻，导致在上升过程中发生抖动进而造成潮波信号不稳定的情况；另外，不锈钢环4还能防止在下降过程中，由于水的粘滞作用以及套管3过轻等原因导致无法克服此粘滞力，造成套管3无法下落。

转动杆13的一端设有机芯孔13-1，该机芯孔13-1与电机12的机芯孔13-1重叠，转动杆13的另一端设有凹槽13-2，凹槽13-2中安装有半活动式转轮14，半活动式转轮14包括螺钉以及安装于螺钉的转轮，松动螺钉即可调整转轮的位置，调整好位置后拧紧螺钉即可固定转轮位置，转轮距离电机12转动机芯越近，潮波信号的振幅越小。

上述潮波信号的平衡位置的设置，包括以下步骤：先开动电机12，观察潮波位置几个周期，刻画出潮波周期的平均位置；然后在潮波位置处于刻画的平均位置时关闭电机12；最后通过拉动钢丝绳9的方式重新调整套管3，在实验所要设定的平均位置处将钢丝绳9固定在半活动式转轮14上，即可获得所需潮波平衡位置。

其中，半活动式转轮14以电机12为中心作圆周运动，通过调整半活动式转轮14在转动杆13凹槽13-2的位置即可调整转动半径，进而改变套管3振动的振幅，即潮汐振幅条件。

本发明中采用半活动式转轮14，一方面可以灵活移动调整半径，进而改变振幅；另一方面半活动式转轮14会以电机12转动机芯位置为圆心进行周期性转动，并随着转动杆13的转动，发生自转，自动调整转轮上的钢丝绳9位置，这样既不会绕线又能使钢丝绳9保持紧绷状态，从而保证套管3的周期性升降。

内溢流管2的底部设有第一控制阀门，第一控制阀门上设有导管与盐水箱7相连通，外管1与盐水库8之间设有第二控制阀门。

现有电机(市场上一般为2级电机)转速为3000转每分钟，转速极快，从而导致潮波水位的极速升降，无法产生模拟正弦潮波信号；本发明中，电机与变速器连接，通过变速器将电机的转速由3000转每分钟降低至0.2～10转每分钟，实现周期的大幅调整(即粗调)；再通过变压器调整电压，实现周期的小幅调整(即微调)，以适合实验的需求。

本发明还公开了一种室内潮波生成器的使用方法，包括以下步骤：

A、按实验所需，在盐水箱7中配好盐水，按设定的潮汐振幅来移动半活动式转轮14，然后固定于在转动杆13的凹槽13-2中，拉紧钢丝绳9一端并系紧与半活动转轮上；

B、确定实验所需设定的周期、振幅和平衡位置，关闭与盐水库8相连的第二控制阀门，打开水泵6、电机12和变压器15及相应的进出水阀门，随套管3升降观察潮波套管3系统中的盐水水位，刻画初始最高、最低以及平衡潮波水位，并区分划出实验设定的最高、最低和平衡潮波水位，依此进行比较调整直至满足实验设定要求；

C、待周期、振幅和平衡位置满足预定要求后，打开与盐水箱7连接的第一控制阀门，潮波生成器中的盐水即可进入盐水区，形成有潮波条件的海洋边界。

上述步骤B中，调整实验预定的最高、最低和平衡潮波水位的具体调整方法为：在潮波水位处于刻画的平均位置时，关闭电机12；然后通过拉动钢丝绳9的方式重新调整套管3的高度，在实验所要设定的平均位置处将钢丝绳9的另一端固定在半活动式转轮14上，即可获得所需潮波平衡位置，平衡位置和振幅确定后，即相应的确定出最高、最低潮波水位，即获得实验设定的潮波条件。

本实施例中，外管1内径为8cm，高度为150㎝，外管1内部套有与外管1同心的套管3，套管3的内径为6㎝，高度为60㎝，同时套管3内部还套有与套管3同心的内溢流管2，内溢流管2的内径为5㎝，高度为40㎝；内溢流管2的顶部设有通孔，底部开口通过软管与盐水箱7相通，使溢流出的水重新流入盐水箱7中构成循环系统，既可提高工作效率又可以减少水资源的浪费。当打开水泵6后，盐水被泵入潮波套管3系统，当水位超出内溢流管2时，大部分盐水即被溢流出去，重新返回盐水箱7；一部分盐水由于受到套管3的阻碍，水位继续上升，但是当水位高于套管3后，盐水即通过套管3流入内溢流管2，因此潮波水位位置可由套管3和内溢流管2控制。

本实施例中，外管1的外部设置有4个连通口，其中有三个连通口与盐水库8相连接，另一个连通口与水泵6相连通，进而与盐水箱7相通，最终可以形成一个连通器，使得外管1内的水位和盐水库8的水位高度保持同步升降。

本实施例中，随着电机12的转动，转动杆13上的半活动式转轮14会以电机12转动机芯位置为圆心进行周期性转动，并随着转动杆13的转动，发生自转，自动调整转轮上的钢丝绳9位置。同时将变压器15与电机12串联在一起，通过调控电流和电压，来稳压使潮波信号稳定，以及调整潮波信号的周期；而潮波信号的振幅可通过调整半活动式转轮14在凹槽13-2中的位置来控制。

本实施例中的室内潮波生成器的原理如下：

为方便理解，将半活动式转轮14简化为一个点，随转动杆13做圆周运动。如图5所示，忽略钢丝绳9的变形，则套管3的上升或下降取决于钢丝绳9从定滑轮10联动点到半活动式转轮14连接点的长度变化。

以电机12与转动杆13连接点为圆心，设为O，则半活动式转轮14以此为圆心做圆周运动，做此轨迹线为辅助圆1，半径为R，在转动过程中，钢丝绳9在定滑轮10上的联动点一直在右上半圆周变化，但由于定滑轮10半径很小，为方便起见，选取两切线，设切线延长线交点为A；连接AO，交圆周于B、D，以A为圆心，以AB、AD为半径做辅助圆2和辅助圆3，可知辅助圆2、辅助圆3分别与辅助圆1相切，则可知联动点A到辅助圆1距离的最小值为AB、最大值为AD，假定AB为基准线，设转动到AC，转动角为∠BOC，连接OC、CD，则由圆的几何性质可知∠BOC＝2∠CDB，设∠BOC为θ，则∠CDB＝θ/2，在ΔBCD中，由几何知识可知∠BOC＝90°，即可知BC＝2Rsinθ/2，连接AC交辅助圆3于E，可知从OB转动到OC，钢丝绳9变化长度即为EC，过两圆切点，做切线BF交AC于F，则∠CBF+∠CBO＝∠CBO+∠BDC＝90°，∠CBF＝∠BDC＝θ/2，作BG垂直于AC与G，设∠CAB＝θ₁，则如图6所示：

$\begin{array}{c}\mathrm{CE}=\mathrm{CG}-\mathrm{EG}=\mathrm{CB}\×\cos \∠\mathrm{BCG}-\mathrm{GB}\×\cot \∠\mathrm{BEA}\\ =\mathrm{CB}\×\cos (\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ}/2-{\mathrm{\θ}}_1)-\mathrm{GB}\×\tan {\mathrm{\θ}}_1/2\\ =2R\sin \mathrm{\θ}/2[\sin (\mathrm{\θ}/2+{\mathrm{\θ}}_1)-\cos (\mathrm{\θ}/2+{\mathrm{\θ}}_1)\×\tan {\mathrm{\θ}}_1/2]\end{array}$

由于钢丝绳9在定滑轮10上的联动点与转动杆13上半活动式转轮14距离很远，交汇区域变化很小，因此θ1≈0，为简化计算取为0，即可得CE≈2Rsin²θ/2＝2R(1-cosθ)，因此，变化长度为2R(1-cosθ)，从而升降变化的周期为2π，θ∈[2kπ，(2k+1)π]，处于上升段，θ∈[(2k+1)π，2(k+1π]处于下降段，k∈N，其振幅为2R，平衡位置在θ＝(2k+1)π/2处。

如图3所示，在实验初期、中期、后期的某一时间进行一个周期的监测，获得潮波信号曲线1、2、3；以曲线1为例，以监测周期的开始时刻为0时刻，每隔3s记录此刻的时间t为横坐标，此刻的潮波位置为纵坐标，直至周期结束，从而获取一系列曲线数据值；同理可获得曲线2、3。将上述三者的潮波位置求取平均值，即为曲线4，其目的在于避免偶然和观测误差；曲线5为标准正弦曲线，Y-t间的关系式为

公式(1)中，M_S为平均海水位，A_T为振幅，T为周期，为相位角。

对于此实验，参数具体数据如下：M_S＝42.4cm，A_T＝6.8cm，T＝60s，

三次抽测结果与标准正弦曲线非常接近，信号较为稳定可靠，能较好地模拟潮汐条件。

在对于海岸带非承压层的海水入侵研究中，以往国内外实验研究忽略或简化潮汐作用的影响，因此获得的结果也不能真实地反应海岸带地下水与海水之间的交换作用。通过本实施例的结果可知，本发明能够真实模拟海洋潮汐，获得真实数据。

如图4所示，本发明加入较接近真实状态的潮汐条件，能够真实反映潮汐作用对于海岸带海水入侵的巨大影响，这对于海水入侵问题的解决和相关理论的发展也有着较大的促进作用。

Claims (8)

1.一种室内潮波生成器，包括潮波套管系统、盐水箱、水泵、连接系统、半活动式转轮和电机，其特征在于：所述潮波套管系统包括外管、安装于外管底部的底座以及安装于外管内部的套管，套管内部的底部套有内溢流管，内溢流管的另一端依次连通盐水箱和水泵，水泵的另一端与外管相连通；所述连接系统包括支撑于潮波套管系统上方的支架、安装于支架顶端的定滑轮以及穿过定滑轮的钢丝绳，所述钢丝绳的一端连接于套管顶部使套管悬于内溢流管，另一端连接于半活动式转轮；所述半活动式转轮安装于转动杆的一端，转动杆的另一端与电机相连接，电机上还连接有变压器；盐水由盐水箱泵入潮波套管系统，在套管上下移动过程中，盐水在套管的阻挡下维持相应的高度；当盐水水位超过套管水位后，多余部分从内溢流管溢出流入盐水箱，从而通过套管高度的变化调节潮波套管系统内盐水水位。

2.根据权利要求1所述的室内潮波生成器，其特征在于：所述外管还与盐水库相连接，且外管、套管和内溢流管三者同心，套管在钢丝绳的牵引下可沿着内溢流管上下移动，控制潮波水位。

3.根据权利要求1所述的室内潮波生成器，其特征在于：所述套管底端的外壁上套有能够使套管自由下落的不锈钢环。

4.根据权利要求1所述的室内潮波生成器，其特征在于：所述转动杆的一端设有机芯孔，该机芯孔与电机的机芯孔重叠，所述转动杆的另一端设有凹槽，凹槽中安装有半活动式转轮，所述半活动式转轮以电机为中心作圆周运动进而改变套管的振幅。

5.根据权利要求1所述的室内潮波生成器，其特征在于：所述内溢流管的底部设有第一控制阀门，第一控制阀门上设有导管与盐水箱相连通，所述外管与盐水库之间设有第二控制阀门。

6.根据权利要求1所述的室内潮波生成器，其特征在于：所述电机与变速器连接，通过变速器将电机的转速由3000转每分钟降低至0.2～10转每分钟，实现周期的大幅调整；再通过变压器调整电压，实现周期的小幅调整，以适合实验的需求。

7.一种如权利要求1至6任意一项所述的室内潮波生成器的使用方法，其特征在于：包括以下步骤，

A、按实验所需，在盐水箱中配好盐水，按设定的潮汐振幅来移动半活动式转轮，然后固定于在转动杆的凹槽中，拉紧钢丝绳一端并系紧与半活动转轮上；

B、确定实验所需设定的周期、振幅和平衡位置，关闭与盐水库相连的第二控制阀门，打开水泵、电机和变压器及相应的进出水阀门，随套管升降观察潮波套管系统中的盐水水位，刻画初始最高、最低以及平衡潮波水位，并区分划出实验设定的最高、最低和平衡潮波水位，依此进行比较调整直至满足实验设定要求；

C、待周期、振幅和平衡位置满足预定要求后，打开与盐水箱连接的第一控制阀门，潮波生成器中的盐水即可进入盐水区，形成有潮波条件的海洋边界。

8.根据权利要求7所述的室内潮波生成器的使用方法，其特征在于：所述步骤B中调整实验预定的最高、最低和平衡潮波水位的具体调整方法为：在潮波水位处于刻画的平均位置时，关闭电机；然后通过拉动钢丝绳的方式重新调整套管的高度，在实验所要设定的平均位置处将钢丝绳的另一端固定在半活动式转轮上，即可获得所需潮波平衡位置，平衡位置和振幅确定后，即相应的确定出最高、最低潮波水位，即获得实验设定的潮波条件。