CN104502001B - 一种海洋湍流热通量仪及其使用方法 - Google Patents
一种海洋湍流热通量仪及其使用方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104502001B CN104502001B CN201410854973.1A CN201410854973A CN104502001B CN 104502001 B CN104502001 B CN 104502001B CN 201410854973 A CN201410854973 A CN 201410854973A CN 104502001 B CN104502001 B CN 104502001B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mtd
- mtr
- mrow
- turbulence
- temperature sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 62
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 61
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 25
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000013535 sea water Substances 0.000 claims description 18
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 14
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 2
- 239000003643 water by type Substances 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000005888 antibody-dependent cellular phagocytosis Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011900 installation process Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001869 rapid Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000036413 temperature sense Effects 0.000 description 1
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 description 1
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
本发明提供了一种海洋湍流热通量仪及其使用方法，其利用海洋探测快速温度传感器和声学多普勒三维点式流速(ADV)仪，通过声学多普勒三维点式流速仪姿态数据校正流速数据，基于垂直方向速度脉动和温度脉动的协方差测量海洋垂直方向湍流热通量，来实现海表以下湍流热通量的测量。本发明利用ADV和快速温度传感器实现了海表以下湍流热通量的直接测量。利用ADV自身的电池和存储器进行自容式测量，本发明设计的湍流热通量仪可以集成在潜标上工作，并且能够长期、全天侯测量。
Description
技术领域
本发明属于海洋探测技术领域，具体涉及一种海洋湍流热通量仪及其使用方法，其能够同时、同点测量同一运动质点的速度和温度，可以测量海洋中的湍流热通量。
背景技术
国内外成熟的典型海洋观测技术为海洋潜标技术,例如声学多谱勒测速仪(ADCP)、温盐链等,这些观测技术手段能基本满足对海洋大中尺度动力过程的研究需求，如：海洋环流、中尺度涡、温盐的粗结构分析等。而海洋湍流微结构的观测，对于研究海洋垂向混合(按照位密方程,维持海洋子午翻转环流所需的湍流涡扩散系数至少要大于10-4m2/s)、物质、能量、动量等的垂向输运起着关键作用。这些垂向输运的定量研究主要体现在湍流动量通量、热通量与湍流混合率等关键物理量上,而引起垂向输运的通量驱动机制则是湍流垂向混合。
对于海洋湍流动量通量、热通量的研究是基于对湍流混合进行直接观测，这对于完善海洋模式参数化方案具有十分重要的意义。除此之外,在二氧化碳通量、营养盐通量、沉积物输送以及微量元素等地球化学物质循环过程中也起着决定性作用。随着海洋科学的发展，特别是观测技术的进步，使得大气底边界层的动量通量、热通量[Eric et.al.,2004；Fairall et.al.1990]、二氧化碳通量、溶解氧通量等的观测成为可能，且目前已比较成熟。但是，海洋动量通量、热通量的直接观测，由于受传感器精度、灵敏度及传感器在高压下的正常工作状态等多种因素的限制，还未见相关技术报道。
在深海热液区,对于热通量的观测具有非常重要的科学意义,所以,对于海洋热通量的研究和开发是十分必要的。但目前还没有成熟技术方案来实现深海热液区的热通量测量。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种海洋湍流热通量仪及其使用方法，其能够同时、同点测量同一运动质点的速度和温度，利用涡动相关法可直接测量湍流热通量。湍流热通量是一能表征热传输的物理量。
本发明包括两个方面：第一方面，提供一种海洋湍流热通量仪；第二方面，提供一种使用上述海洋湍流热通量仪的方法。
第一方面：提供一种海洋湍流热通量仪，其工作原理是利用声学多普勒三维点式流速仪和海洋探测快速温度传感器同时、同点测量海洋湍流场中速度场与温度场，通过声学多普勒三维点式流速仪姿态数据校正流速数据，基于垂直方向速度脉动和温度脉动的协方差测量海洋垂直方向湍流热通量的方法，实现了海表以下湍流热通量的测量。
海洋湍流热通量仪的工作原理如下：原始流速数据(u,v,w)是相对于三维点式流速测量仪(ADV)坐标系的，需要进行坐标变换即使ADV坐标系(x*,y*,z*)转换为自然坐标系(x,y,z)；在自然坐标系中，z轴与竖直方向重合，x轴指向地理北极，坐标原点和ADV重心重合；利用ADV自带的罗经测量x*-z*平面相对于x-z平面与z轴为交线的夹角α，利用水平仪测量x*-y*平面相对于x-y平面与x轴为交线的夹角β和x*-y*平面相对于x-y平面与y轴为交线的夹角γ，则自然坐标系下的流速数据(u1,v1,w1)可以表示为：
因海洋中的低频波动可以影响ADV测量，导致ADV附加了三维平动速度(u0,v0,w0)，实际的测点的流速为(u1-u0,v1-v0,w1-w0)；然后求得各真实速度的脉动值u′,v′,w′，单位(m/s)。
根据涡动相关法，海洋湍流热通量FT可以表示为：
式中FT是测量点的湍流热通量(W/m2)，Cp为海水的定压比热容(J/kg/K)，ρ是海水密度(kg/m3)，w′是海水垂向速度的脉动值(m/s)，T'是测量点的温度脉动值(K)，上划线表示时间序列的平均。
海洋湍流热通量仪由以下4部分构成：
1)、声学多普勒三维点式流速测量仪(ADV)，用以测量海洋中湍流场的三维流速，其工作原理如下：以100～250Hz频率测量单点三维流速，经过数字滤波后输出1～64Hz的三维流速数据，内置姿态传感器(IMU)，可以校正海洋湍流热通量仪姿态。
2)、海洋探测快速温度传感器，用以测量海洋湍流场的温度，其由8个部件组成：探头37、钛合金弯形管36、锥形管35、第一圆筒管34、内丝扣连接件(锥形管35与第一圆筒管34之间连接件，图3中未标出)、外螺丝33、第二圆筒管32、第三圆筒管31。具体连接如下：探头37插入钛合金弯形管36中，钛合金弯形管36置入锥形管35中，第一圆筒管34壁厚1.2mm，锥形管35与第一圆筒管34由内丝扣连接件连接，第一圆筒管34有外丝扣的一端置入第二圆筒管32的内丝扣中并连接，同时再通过外螺丝33固定第一圆筒管34和第二圆筒管32，第二圆筒管32的另一端的外丝扣与内丝扣31连接。第三圆筒管31中设置有电路，并与水密线连接。其中快速温度传感器直径为1.8m的细长结构，位于流速测量体附近时不会干扰流场。
3)、海洋湍流热通量仪电源部分，用以对ADV、IMU和温度探头供电，其构成如下：4个6000米水深钛合金耐压电池仓，管壁厚0.8cm，仓体内径61.5mm，有效容积长度460mm，可以放2组450Wh锂电池组；电池仓与声学多普勒三维点式流速仪主机用Y型水密线连接，每根线有2芯为ADV供电，从ADV壳体中引出水密线为温度探头供电和数据交换储存。
4)、316L型不锈钢支架，用于国定ADV、温度探头及电池仓。在安装过程中使温度探头感温体位于ADV流速测量体附近，以保证ADV的流速测量与温度探头的温度测量位于海洋湍流场的同一点，且同步测量，满足涡动相关法运算的要求。
另外，快速温度传感器通过耐压水密线连接声学多普勒三维点式流速仪后盖特制8芯接口，用于数据传输和供电需求；快速温度传感器和声学多普勒三维点式流速仪(含姿态校正传感器)的测量点是同一点，快速温度传感器采样信号与声学多普勒三维点式流速仪的采样信号同步，采样频率1-64Hz可调。快速温度传感器和声学多普勒三维点式流速仪外壳由TC4钛合金加工而成，由316L型不锈钢支架将ADV和快速温度传感器固定在支架上，并保证快速温度传感器探头位于声学多普勒三维点式流速仪测量点上；外支架形成的圆柱绕流对流场的影响在测量点要忽略不计。
上述海洋湍流热通量仪可以同点观测热通量、动量通量、湍动能耗散率和热耗散率，且可以工作在1-5000米水下。
依据本发明的第二方面，提供一种使用上述海洋湍流热通量仪的方法,其包括以下步骤：
第一步，声学多普勒三维点式流速测量仪和快速温度传感器同步采集海洋湍流场中同一点的三维流速(u,v,w)和温度(T)，通过声学多普勒三维点式流速仪自带的罗经和水平仪测量声学多普勒三维点式流速仪姿态得到真实流速(u1,v1,w1)，然后求得各真实速度的脉动值u′,v′,w′，单位(m/s)；
根据涡动相关法，海洋湍流热通量FT可以表示为：
式中FT是测量点的湍流热通量(W/m2)，Cp为海水的定压比热容(J/kg/K)，ρ是海水密度(kg/m3)，w′是海水垂向速度的脉动值(m/s)，T'是测量点的温度脉动值(K)，上划线表示时间序列的平均；
第二步，湍流动量通量(N/m2)可以通过以下计算公式得到：
其中u',v′,w′分别为东西南北和垂向速度脉动值，单位(m/s),上划线表示时间序列的平均。
本发明的优点是：
1.通过同时、同点采集高频、高精度的海洋湍流场速度和温度信号，首次实现测量水下湍流热通量的时间序列，获得定点的海洋湍流热通量。
2.可以在1－5000米水深的海洋中进行观测。
附图说明
附图1为本发明使用的海洋湍流热通量仪传感器与测量点示意图；
附图2为依据本发明的海洋湍流热通量仪示意图；
附图3为海洋探测快速温度传感器外结构示意图；
附图4为使用本发明海洋湍流热通量仪在三亚湾测量的20分钟垂向速度和温度的互相关值；
附图5为使用本发明海洋湍流热通量仪在三亚湾海试9天的垂向热通量示意图。
具体实施方式
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的一部分实施例，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。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
本发明基于涡动相关法进行创造性劳动提出的创新，涡动相关法[Anctilet.al.,1994]通过测量物理量的脉动值(如温度、CO2、溶解氧等)与流体垂向速度的协方差计算湍流通量，其在观测和计算过程中几乎没有假设，被认为是唯一能直接测量海洋通量的有效方法。涡动相关法的测量原理如下：任意标量的湍流通量可以写成，其中F代表标量的湍流通量，w是垂向速度，ρ是标量，代表温度、密度或浓度，上划线代表采样间隔内的时间平均。将w和ρ看成是一个平均项和一个脉动项的和：根据雷诺平均的基本定义，可以得出涡动相关法的基本方程：[Moncrieff et al,1997]，根据该方程，要计算某物理量的湍流通量，就是计算该物理量的脉动与流体垂向速度脉动的协方差。
本发明所提出的利用海洋探测快速温度传感器和声学多普勒三维点式流速仪(ADV)，并通过ADV姿态数据校正流速数据，由垂向速度脉动和温度脉动的协方差测量海洋垂向湍流热通量的方法，实现了海表以下湍流热通量的测量。其工作原理如下：
原始流速数据(u,v,w)是相对于ADV坐标系的，需要进行坐标变换即使ADV坐标系(x*,y*,z*)转换为自然坐标系(x,y,z)；在自然坐标系中，z轴与竖直方向重合，x轴指向地理北极，坐标原点和ADV重心重合；利用ADV自带的罗经测量x*-z*平面相对于x-z平面与z轴为交线的夹角α，利用水平仪测量x*-y*平面相对于x-y平面与x轴为交线的夹角β和x*-y*平面相对于x-y平面与y轴为交线的夹角γ，则自然坐标系下的流速数据(u1,v1,w1)可以表示为：
因海洋中的低频波动可以影响ADV的测量，导致ADV附加了三维平动速度(u0,v0,w0)，实际的测点的流速为(u1-u0,v1-v0,w1-w0)；然后求得各真实速度的脉动值u′,v′,w′，单位(m/s)。
根据涡动相关法，海洋湍流热通量FT可以表示为：式中FT是测量点的湍流热通量(W/m2)，Cp为海水的定压比热容(J/kg/K)，ρ是海水密度(kg/m3)，w′是海水垂向速度的脉动值(m/s)，T'是测量点的温度脉动值(K)，上划线表示时间序列的平均。
海洋湍流热通量仪包括快速温度传感器，快速温度传感器在测量体积块的附近只有1.8mm直径，且为细长结构不会干扰流场。由8部分(探头37、钛合金弯形管36、锥形管35、第一圆筒管34、设置于锥形管35与第一圆筒管34之间的内丝扣连接件、外螺丝33、第二圆筒管32、第三圆筒管31)组成快速温度传感器，包括探头37、最前面的钛合金弯形管外加聚酯材料保护的弯形外壳、TC4钛合金棒加工而成的多节圆筒及连接件结构；快速温度传感器具体连接关系如下：探头37插入钛合金弯形管36中，钛合金弯形管36置入锥形管35中，第一圆筒管34，壁厚1.2mm，锥形管35与第一圆筒管34由内丝扣连接件连接，第一圆筒管34有外丝扣的一端置入第二圆筒管32的内丝扣中并连接，同时再通过外螺丝33固定第一圆筒管34和第二圆筒管32，第二圆筒管32外丝扣的另一端与含有内丝扣的第三圆筒管31连接。其中第三圆筒管31中设置有电路，并与水密线连接。
本发明使用的声学多普勒三维点式流速仪ADV包含姿态校正传感器，优选选用Notek公司产品，以100～250Hz频率测量单点三维流速，经过数字滤波后输出1～64Hz的三维流速数据，内置姿态传感器(IMU)，可以校正仪器姿态。可用于相对坐标和自然坐标下测量三维流速。
海洋湍流热通量仪进一步包括4个6000米水深耐压钛合金电池仓，管壁厚0.8cm，仓体内径61.5mm，有效容积长度460mm，可以放2组450Wh锂电池组；电池仓与声学多普勒三维点式流速仪主机用Y型水密线连接，每根线有2芯，可同时连接4个电池仓。
快速温度传感器通过耐压水密线连接声学多普勒三维点式流速仪后盖特制8芯接口，用于数据传输和供电需求；快速温度传感器和声学多普勒三维点式流速仪(含姿态校正传感器)的测量点是同一点，快速温度传感器采样信号与声学多普勒三维点式流速仪的采样信号同步，采样频率1-64Hz可调。快速温度传感器和声学多普勒三维点式流速仪外壳由TC4钛合金加工而成，由316L型不锈钢支架将ADV和快速温度传感器固定在支架上，并保证快速温度传感器探头位于声学多普勒三维点式流速仪测量体附近；外支架形成的圆柱绕流对流场的影响在测量点要忽略不计。
使用上述权利要求的海洋湍流热通量仪的方法,其包括以下步骤：
第一步，声学多普勒三维点式流速测量仪和快速温度传感器同步采集同一点的三维流速(u,v,w)和温度(T)，通过声学多普勒三维点式流速仪自带的罗经和水平仪测量声学多普勒三维点式流速仪姿态得到真实流速(u1,v1,w1)，然后求得各真实速度的脉动值u′,v′,w′，单位(m/s)；
根据涡动相关法，海洋湍流热通量FT可以表示为：
式中FT是测量点的湍流热通量(W/m2)，Cp为海水的定压比热容(J/kg/K)，ρ是海水密度(kg/m3)，w′是海水垂向速度的脉动值(m/s)，T'是测量点的温度脉动值(K)，上划线表示时间序列的平均；
第二步，湍流动量通量(N/m2)可以通过以下计算公式得到：
其中u',v′,w′分别为东西南北和垂向速度脉动值，单位(m/s),上划线表示时间序列的平均。其它方向的热通量类似可以得到。
下面依据附图，对本发明进行更详细的说明：
附图1为本发明使用的海洋湍流热通量仪传感器与测量点示意图，其可以同时、同点测量运动质点三维速度和温度。附图中，14为声学多普勒三维点式流速仪传感器测量点，流速测量点位于仪器壳体前方15cm处。声学多普勒三维点式流速仪传感器11测量(测量点)的x方向速度；传感器13、12分别测量y、z方向速度；快速温度传感器探头部分15用于测量测量点的温度信号。
附图2为依据本发明的海洋湍流热通量仪示意图；附图标记如下：316L型不锈钢支架21；声学多普勒三维点式流速仪电路仓22；快速温度传感器探头部分23；电池仓24；尼龙支架25。
附图3为快速温度传感器外结构示意图，探头37、钛合金弯形管36、锥形管35、第一圆筒管34、内丝扣连接件锥形管35、外螺丝33、第二圆筒管32、第三圆筒管31。具体连接关系如下：探头37插入钛合金弯形管36中，钛合金弯形管36置入锥形管35中，第一圆筒管34，壁厚1.2mm，锥形管35与第一圆筒管34由内丝扣连接件连接，第一圆筒管34有外丝扣的一端扣置入第二圆筒管32的内丝扣中并连接，同时再通过外螺丝33固定第一圆筒管34和第二圆筒管32，第二圆筒管32的另一端的外丝扣与含有内丝扣的第三圆筒管31连接。其中第三圆筒管31中含电路，并与水密线连接。
附图4为本发明使用的海洋湍流热通量仪在三亚湾测量的20分钟垂向速度和温度的互相关值。其中在延迟时间τ＝0.53s的互相关值为1。
附图5为使用本发明海洋湍流热通量仪在三亚湾海试9天的垂向热通量示意图。
本发明通过以下方法实现：快速温度传感器(参见图3)安装在支架上，快速温度传感器输出的信号连接到ADV的AD转换通道。选用的ADV设备应集成姿态仪(IMU)和压力传感器，具有扩展的AD通道，具有内部存储器保存测量数据，具有通信接口传输控制命令和读取测量结果，携带有电池可以进行自容式测量。本系统的声学多普勒三维点式测速仪ADV、姿态校正传感器与快速温度传感器、采用同步触发，同步采样，同时获取测量运动粒子的三维速度信号、温度信号、三维声学测速仪ADV的姿态信号、及压力信号(参见图1及图2)。
当快速温度传感器以一定频率测量某观测点的温度，同时使用ADV设备测量海洋中与温度同点水体的三维速度，ADV、温度传感器以较高的频率同步采集待测点的流速、温度、压力、姿态数据，并进行存储。用压力数据反演为ADV的深度测量数据；利用姿态校正传感器数据将ADV相对坐标系下的三维流速数据变换为自然坐标系；通过求温度脉动值和自然坐标系下垂向速度脉动值的协方差得到测量区域的垂向湍流热通量(参见图5)。
当同一运动质点的温度和速度同时被观测到时，流场测的速度信号与温度场的温度信号具有很好的互相关性，图4中显示垂向速度与温度信号的互相关值，归一化的最大值出现在延迟时间为0.53秒零处(见图4右上方嵌入的小图里)，说明观测到的速度与温度信号，基本上是同时、同点对同一运动质点观测的测量。由于实际观测的粒子较大，不是理想中的质点，这样三维速度信号与温度信号的互相关最大值不是在零点，而是有一点延迟。
本发明设计的湍流热通量仪，要求采样频率在1-512Hz，具体最佳采样频率，要根据不同的观测海域和观测海深来定。本发明所使用的声学传感器、温度传感器，可耐高压，在水下1-5000米可正常工作。本发明设计的外支架的直径与观测点的距离，要求对流场在观测点的扰动要忽略不计。
本发明利用ADV和快速温度传感器实现了海表以下湍流热通量的直接测量。利用ADV自身的电池和存储器进行自容式测量，本发明设计的湍流热通量仪可以集成在潜标上工作，不需要船舶在测量区域停靠，消除了船舶对测量的影响，并且能够长期、全天侯测量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。
Claims (1)
1.一种测量海洋湍流热通量的方法,其包括以下步骤：
第一步，声学多普勒三维点式流速仪和快速温度传感器同步采集同一点的三维流速(u,v,w)和温度(T)，通过声学多普勒三维点式流速仪自带的罗经和水平仪测量声学多普勒三维点式流速仪姿态得到真实流速(u1,v1,w1)，然后求得各真实速度的脉动值u′,v′,w′，单位(m/s)；
根据涡动相关法，海洋湍流热通量FT可以表示为：
式中FT是测量点的湍流热通量(W/m2)，Cp为海水的定压比热容(J/kg/K)，ρ是海水密度(kg/m3)，w′是海水垂向速度的脉动值(m/s)，T'是测量点的温度脉动值(K)，上划线表示时间序列的平均；
第二步，湍流动量通量(N/m2)可以通过以下计算公式得到：其中u',v′,w′分别为东西南北和垂向速度脉动值，单位(m/s),上划线表示时间序列的平均；
其中所使用的海洋湍流热通量仪利用快速温度传感器和声学多普勒三维点式流速仪(ADV)，通过声学多普勒三维点式流速仪姿态数据校正流速数据，基于垂直方向速度脉动和温度脉动的协方差测量海洋垂直方向湍流热通量，来实现海表以下湍流热通量的测量；
所述海洋湍流热通量仪工作原理如下：原始流速数据(u,v,w)是相对于ADV坐标系的，需要进行坐标变换即使ADV坐标系(x*,y*,z*)转换为自然坐标系(x,y,z)；在自然坐标系中，z轴与竖直方向重合，x轴指向地理北极，坐标原点和声学多普勒三维点式流速仪重心重合；利用声学多普勒三维点式流速仪自带的罗经测量x*-z*平面相对于x-z平面与z轴为交线的夹角α，利用水平仪测量x*-y*平面相对于x-y平面与x轴为交线的夹角β和x*-y*平面相对于x-y平面与y轴为交线的夹角γ，则自然坐标系下的流速数据(u1,v1,w1)可以表示为：
<mrow>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>u</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>v</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>w</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mn>1</mn>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mn>1</mn>
</mtd>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&beta;</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&beta;</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>sin</mi>
<mi>&beta;</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>cos</mi>
<mi>&beta;</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&gamma;</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&gamma;</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mn>1</mn>
</mtd>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>sin</mi>
<mi>&gamma;</mi>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>cos</mi>
<mi>&gamma;</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mi>u</mi>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mi>v</mi>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mi>w</mi>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
海洋中的低频波动导致三维流速测量附加了三维平动速度(u0,v0,w0)，实际测点的流速为(u1-u0,v1-v0,w1-w0)；然后求得各真实速度的脉动值u′,v′,w′，单位(m/s)；
根据涡动相关法，海洋湍流热通量FT可以表示为：
式中FT是测量点的湍流热通量(W/m2)，Cp为海水的定压比热容(J/kg/K)，ρ是海水密度(kg/m3)，w′是海水垂向速度的脉动值(m/s)，T'是测量点的温度脉动值(K)，上划线表示时间序列的平均；
其中，快速温度传感器由探头(37)、钛合金弯形管(36)、锥形管(35)、第一圆筒管(34)、内丝扣连接件、外螺丝(33)、第二圆筒管(32)、第三圆筒管(31)等8部分组成，内丝扣连接件设置在锥形管(35)与第一圆筒管(34)之间，快速温度传感器的耐压外壳采用TC4钛合金棒加工而成，快速温度传感器中各部件之间连接关系如下：探头(37)插入钛合金弯形管(36)中，钛合金弯形管(36)置入锥形管(35)中，第一圆筒管(34)，壁厚1.2mm，锥形管(35)与第一圆筒管(34)由内丝扣连接件连接，第一圆筒管(34)中有外丝扣的一端置入第二圆筒管(32)的内丝扣中并连接，同时再通过外螺丝(33)固定第一圆筒管(34)和第二圆筒管(32)，第二圆筒管(32)的另一端的外丝扣与含有内丝扣的第三圆筒管(31)连接；第三圆筒管(31)中设置有电路，并与水密线连接；快速温度传感器中的探头在测量体附近的直径为1.8mm；
其中海洋湍流热通量仪进一步包括4个6000米水深耐压钛合金电池仓，管壁厚0.8cm，仓体内径61.5mm，有效容积长度460mm，可以放2组450Wh锂电池组；电池仓与声学多普勒三维点式流速仪主机用Y型水密线连接，每根线有2芯，可同时连接4个电池仓；快速温度传感器通过耐压水密线连接声学多普勒三维点式流速仪后盖特制8芯接口，用于数据传输和供电需求；快速温度传感器和含姿态校正传感器的声学多普勒三维点式流速仪的测量点是同一点，快速温度传感器采样信号与声学多普勒三维点式流速仪的采样信号同步，采样频率1-64Hz可调；
快速温度传感器和声学多普勒三维点式流速仪外壳由TC4钛合金加工而成，由316L型不锈钢支架将ADV和快速温度传感器固定在支架上，并保证快速温度传感器探头位于声学多普勒三维点式流速仪测量点上；
所述海洋湍流热通量仪可以在1-5000米水下同点观测海洋湍流的热通量、动量通量、湍动能耗散率和热耗散率。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410854973.1A CN104502001B (zh) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 一种海洋湍流热通量仪及其使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410854973.1A CN104502001B (zh) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 一种海洋湍流热通量仪及其使用方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104502001A CN104502001A (zh) | 2015-04-08 |
| CN104502001B true CN104502001B (zh) | 2017-10-13 |
Family
ID=52943422
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410854973.1A Expired - Fee Related CN104502001B (zh) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 一种海洋湍流热通量仪及其使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104502001B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104875849B (zh) * | 2015-05-14 | 2016-03-09 | 中国海洋大学 | 海洋动力环境多尺度同步观测潜标 |
| CN107656090A (zh) * | 2017-08-07 | 2018-02-02 | 熊学军 | 水下滑翔机海流垂向速度观测方法 |
| CN109212152A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-01-15 | 天津科技大学 | 一种海洋近底边界层溶解氧通量测量方法 |
| CN117688847B (zh) * | 2024-02-02 | 2024-05-31 | 自然资源部第二海洋研究所 | 基于控制机制及机器学习的海气氧通量遥感反演方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05133818A (ja) * | 1991-11-15 | 1993-05-28 | Hitachi Cable Ltd | 光フアイバ温度センサ |
| CN101699236B (zh) * | 2009-11-19 | 2013-04-24 | 杭州电子科技大学 | 深海热液口温度场原位在线声学检测方法 |
| CN102322975B (zh) * | 2011-08-10 | 2012-10-17 | 浙江大学舟山海洋研究中心 | 海底热液口声学原位测温装置 |
| CN202188924U (zh) * | 2011-08-10 | 2012-04-11 | 浙江大学舟山海洋研究中心 | 一种海底热液口声学原位测温装置 |
-
2014
- 2014-12-31 CN CN201410854973.1A patent/CN104502001B/zh not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "深海海洋动力环境原位实时监测系统研究";张海燕等;《高技术通讯》;20140331;第24卷(第3期);第221-227页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104502001A (zh) | 2015-04-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104502001B (zh) | 一种海洋湍流热通量仪及其使用方法 | |
| D'Asaro | Observations of small eddies in the Beaufort Sea | |
| CN103090193B (zh) | 用于海底石油管道泄漏检测与定位的装置 | |
| CN104034317B (zh) | 利用往复式海洋微结构剖面仪检测湍流的方法 | |
| CN105674945B (zh) | 一种基于mems传感器的海底滑坡监测装置及监测方法 | |
| WO2016192390A1 (zh) | 一种基于水下机器人平台的海底热流长期观测探针 | |
| CN109436197B (zh) | 内孤立波作用下海洋浮式结构的耦合运动及测力模拟实验系统 | |
| CN104568378B (zh) | 一种海洋湍流定点混合仪及其使用方法 | |
| CN108955675A (zh) | 一种基于惯性测量的地下管道轨迹检测系统及方法 | |
| CN103575928B (zh) | 水库渗漏多普勒探测仪 | |
| CN103994757A (zh) | 一种往复式海洋微结构剖面仪 | |
| CN106404222A (zh) | 基于组合式高精度测温电缆的海洋温深剖面探测系统 | |
| CN205819497U (zh) | 一种用于水下地形测绘的无人测量船 | |
| Griffa et al. | Lagrangian analysis and prediction of coastal and ocean dynamics | |
| CN101706275A (zh) | 动态海浪测量装置及测量方法 | |
| CN102759395A (zh) | 浮球式振动波传感器及其使用方法与用途 | |
| CN108001626A (zh) | 一种基于压电效应的波浪能发电供能浮标及方法 | |
| CN207570541U (zh) | 一种声学波潮测量仪 | |
| CN108267128A (zh) | 一种船载走航式海气通量观测系统 | |
| CN206410731U (zh) | 海洋多参数剖面测量仪 | |
| CN110307830A (zh) | 一种浮标链载倾斜海流测量系统和海流及波浪的测量方法 | |
| CN207501929U (zh) | 一种架式水文观测装置 | |
| CN204719242U (zh) | 一种船载磁力探测装置 | |
| CN204405232U (zh) | 一种海洋湍流热通量仪 | |
| CN114152773A (zh) | 一种二维海面鬼波水体成像测量装置、方法及应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171013 |