CN108168839B

CN108168839B - 一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置

Info

Publication number: CN108168839B
Application number: CN201810011785.0A
Authority: CN
Inventors: 孟静; 陈旭; 牟海迪
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2018-01-05
Filing date: 2018-01-05
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2038-01-05
Also published as: CN108168839A

Abstract

本发明公开了一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，包括水槽和工作台；所述水槽底部中心竖直安装有下导流柱，工作台下侧中心竖直安装有上导流柱；所述工作台上安装有支撑座，支撑座上端开设有半球形凹槽，螺杆下端设置有楔形刀口，且楔形刀口放置在半球形凹槽内，楔形刀口下端安装有连接杆，连接杆穿过半球形凹槽底部的通孔连接有支撑杆，支撑杆位于上导流柱内，支撑杆的下端穿过上导流柱并安装有待测圆柱块；所述螺杆下部水平安装有横杆，横杆的两端对称安装有托盘；所述水槽左端还插设有塌陷造波板；还包括激光器和CCD设备。该装置有利于促进内孤立波对小直径直立桩柱影响的研究，具有重要的社会意义和经济价值。

Description

一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置

技术领域

本发明涉及海洋工程研究技术领域，具体是一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置。

背景技术

海洋内波是发生在密度稳定层化的海水内部的一种波动，其最大振幅出现在海洋内部，波动频率介于惯性频率和浮性频率之间。由于是产生于海洋内部，内波的恢复力在高频时主要是约化重力（重力和浮力的合力）；当频率低至惯性频率时，恢复力主要是地转柯氏力，这是它不同于表面波的一个重要特征。

海洋中的内孤立波是一种非常特殊的内波，是海洋中的一种中小尺度过程，它能够长距离传播而且保持它的波形基本不变。典型的内孤立波，其波长和周期分布在很宽的范围内，常见波长为数百米至近千米，周期一般为数十分钟，一般以波包的形式传播，大多数情况下，头波的振幅最大，可达几十米甚至上百米。

内孤立波的研究对海洋声学、海洋资源的开发利用、海洋军事和海洋工程等发面都有着非常深远的影响。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，影响着海洋环境和生态保护、全球的气候变化、渔业资源和海洋矿产的开发利用。同样，内孤立波也是一把双刃剑，大振幅内孤立波的存在，引起海洋的等温面和等密度面起伏，会影响海洋中声信号的传播速度和方向，降低了声纳性能，增加了水下通讯和目标探测的困难。大幅度的内孤立波除产生等密度面大幅度垂向起伏外，还产生具有强垂向剪切的往复水平流，会对海上作业平台产生破坏作用。特别是大幅度内孤立波在近海面会产生强剪应力，常使得作业产生操作困难。

内孤立波的波致流（在传播过程中产生的扰动可导致海面水强烈辐聚和突性发性的辐强流）和其极强的速度切变，波高可达到几百米，波长数百米，甚至万米以上。跃层间形成两支相反方向的内波流，移动速度超过后，便会形成犹如剪刀般的垂直作用力，对于石油钻井平台等水下工程设施有极大的破坏作用。加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台，就曾遭内波袭击而不得不中断作业，为此，美国英特俄辛公司为其专门安装了内波预警系统，以保障其安全作业。

我国南海北部是一个石油资源十分丰富且海洋环境相当复杂的海区，此海域的内孤立波发生最为频繁，最大移动速度2m/s，对这里的海洋石油资源开发所用平台的安全可能会产生破坏性的影响。除此之外，海底地震、沙波和水下沙脊更是随时可能发生或形成，给超深海油气田的勘探、开采和输送带来巨大的成本损耗和不可控风险。1990年夏、秋季，位于我国南海的“南海Ⅵ号”石油钻机，也曾遭受周期性的强内波波致流的袭击，致使石油钻井倾斜2.5°，摆幅40m。钻管被拉下3.9m，使钻井作业受到严重影响。

鉴于南中国海北部的石油资源非常丰富，石油平台非常多，研究内孤立波对石油平台桩柱的影响有着重要的社会意义和经济价值。然而，目前基于内孤立波对直立桩柱的研究主要还是集中在实际观测和数值模拟上，并且结果差别很大，无法得到很好的验证。缺乏用于研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，包括水槽和工作台，工作台位于水槽上方；所述水槽底部中心竖直安装有下导流柱，工作台下侧中心竖直安装有上导流柱，上导流柱与下导流柱在竖直方向上位置相对应，且上导流柱与下导流柱之间留有空隙；所述工作台上安装有支撑座，支撑座上端开设有半球形凹槽，螺杆下端设置有楔形刀口，且楔形刀口放置在半球形凹槽内，楔形刀口下端安装有连接杆，半球形凹槽底部开设有供连接杆穿过的通孔，连接杆穿过通孔连接有支撑杆，支撑杆位于上导流柱内，支撑杆的下端穿过上导流柱并安装有待测圆柱块，待测圆柱块位于上导流柱与下导流柱之间的空隙内；所述螺杆下部水平安装有横杆，横杆的两端对称安装有托盘；所述工作台上还安装有电导率传感器，且电导率传感器位于水槽内；所述水槽左端还插设有塌陷造波板；所述研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，还包括激光器和CCD设备，激光器位于水槽的左侧或右侧，CCD设备位于水槽的前侧或后侧。

作为本发明进一步的方案：所述横杆一端还安装有平衡调节螺母。

作为本发明再进一步的方案：所述螺杆上部还安装有力矩调节螺母。

作为本发明再进一步的方案：所述水槽右端安装有消波板。

作为本发明再进一步的方案：所述水槽的长度为1m，宽度为0.1m，高度为0.2m。

作为本发明再进一步的方案：所述水槽由金属框以及镶嵌在金属框内的玻璃板组装而成，金属框由金属支架组成。

基于所述的研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置的实验方法，步骤如下：

1）调节平衡调节螺母，使横杆平衡；

2）向水槽内放置第一浓盐水，形成第一浓盐水液面，第一浓盐水液面所在水平面与消波板中部所在水平面齐平；

3）将塌陷造波板插入至水槽内，并与水槽底部留有缝隙，将水槽分隔为左腔室和右腔室；

4）在左腔室的第一浓盐水液面上铺设漂浮的海绵，从左腔室的第一浓盐水液面上方，向左腔室内缓缓的加入第二浓盐水，形成第二浓盐水液面，使得左腔室的第二浓盐水液面的高度低于右腔室的第一浓盐水液面的高度；

5）在第一浓盐水液面和第二浓盐水液面上铺设漂浮的海绵，从左腔室的第二浓盐水液面上方，向左腔室内加入淡盐水，从右腔室的第一浓盐水液面上方，向右腔室内加入淡盐水，且左腔室和右腔室内淡盐水的液位高度相同，形成淡盐水液面；

6）快速而稳定地抽掉塌陷造波板，通过塌陷造波板两侧的水体位势差形成第一模态的内孤立波；

7）第一模态的内孤立波对待测圆柱块产生作用力，通过托盘内的砝码标定待测圆柱块的受力大小；

8）激光器对第一浓盐水液面所在平面进行照射，形成光照平面，通过CCD设备获得示踪粒子的图像，以进行后续的实验分析。

作为本发明再进一步的方案：所述浓盐水的密度为1.081g/cm³。

作为本发明再进一步的方案：所述淡盐水的密度为1.002g/cm³。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开的实验装置有利于促进内孤立波对小直径直立桩柱影响的研究，具有重要的社会意义和经济价值，且结构简单，使用方便，易于建造，成本较低，能够大范围推广使用。

附图说明

图1为研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置中水槽和工作台的结构示意图。

图2为研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置的装置布放示意图。

图中：1-水槽、2-塌陷造波板、3-电导率传感器、4-上导流柱、5-下导流柱、6-待测圆柱块、7-支撑杆、8-消波板、9-工作台、10-托盘、11-平衡调节螺母、12-横杆、13-支撑座、14-半球形凹槽、15-力矩调节螺母、16-螺杆、17-楔形刀口、18-激光器、19-CCD设备、100-淡盐水液面、200-第一浓盐水液面、300-第二浓盐水液面。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-2，一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，包括水槽1和工作台9，工作台9位于水槽1上方；所述水槽1底部中心竖直安装有下导流柱5，工作台9下侧中心竖直安装有上导流柱4，上导流柱4与下导流柱5在竖直方向上位置相对应，且上导流柱4与下导流柱5之间留有空隙，此空隙用于容纳待测圆柱块6；所述工作台9上安装有支撑座13，支撑座13上端开设有半球形凹槽14，螺杆16下端设置有楔形刀口17，且楔形刀口17放置在半球形凹槽14内，楔形刀口17下端安装有连接杆，半球形凹槽14底部开设有供连接杆穿过的通孔，连接杆穿过通孔连接有支撑杆7，支撑杆7位于上导流柱4内，支撑杆7的下端穿过上导流柱4并安装有待测圆柱块6，待测圆柱块6位于上导流柱4与下导流柱5之间的空隙内，当待测圆柱块6受力摆动时，通过支撑杆7及连接杆，带动楔形刀口17在半球形凹槽14内摆动，进而带动螺杆16摆动；

所述螺杆16下部水平安装有横杆12，横杆12的两端对称安装有托盘10，托盘10用于盛放砝码，如此设置，通过力矩平衡的原理，通过托盘10中砝码的重量就能够计算出待测圆柱块6受到的水平作用力，所述横杆12一端还安装有平衡调节螺母11，在空载状态下，通过平衡调节螺母11用于调节横杆12的平行，有利于保证实验结果的准确性；所述螺杆16上部还安装有力矩调节螺母15，在螺杆16摆动的过程中，力矩调节螺母15用于改变摆动的回复力矩；所述工作台9上还安装有电导率传感器3，且电导率传感器3位于水槽1内，用于测量水槽1内某个液位的电导率；

所述水槽1左端还插设有塌陷造波板2，塌陷造波板2用于在水槽的左端封住一部分水，通过注入较轻盐水来改变塌陷造波板2两端的水体位势差，当抽出塌陷造波板2时就可以形成第一模态的内孤立波，水槽1右端安装有消波板8，消波板8用于防止内孤立波遇到水槽壁反射，影响实验观测；所述水槽1的尺寸不加限制，本实施例中，优选的，所述水槽1的长度为1m，宽度为0.1m，高度为0.2m，水槽1的具体结构不加限制，本实施例中，优选的，所述水槽1由金属框以及镶嵌在金属框内的玻璃板组装而成，金属框由金属支架组成；

所述研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，还包括激光器18和CCD设备19，激光器18位于水槽1的左侧或右侧，CCD设备19位于水槽1的前侧或后侧，内孤立波产生的流场和波场采用粒子示踪技术（PIV）测量，利用激光对所测平面进行照射，形成光照平面，并使用CCD等摄像设备获得示踪粒子的图像，再对图像序列进行分析，获得二维流场的速度矢量分布。

基于上述研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置的实验方法，步骤如下：

1）调节平衡调节螺母11，使横杆12平衡；

2）向水槽1内放置第一浓盐水，形成第一浓盐水液面200，第一浓盐水液面200所在水平面与消波板8中部所在水平面齐平；

3）将塌陷造波板2插入至水槽1内，并与水槽1底部留有缝隙，将水槽1分隔为左腔室和右腔室；

4）在左腔室的第一浓盐水液面200上铺设漂浮的海绵，从左腔室的第一浓盐水液面200上方，向左腔室内缓缓的加入第二浓盐水，形成第二浓盐水液面300，使得左腔室的第二浓盐水液面300的高度低于右腔室的第一浓盐水液面200的高度；

5）在第一浓盐水液面200和第二浓盐水液面300上铺设漂浮的海绵，从左腔室的第二浓盐水液面300上方，向左腔室内加入淡盐水，从右腔室的第一浓盐水液面200上方，向右腔室内加入淡盐水，且左腔室和右腔室内淡盐水的液位高度相同，形成淡盐水液面100；

6）快速而稳定地抽掉塌陷造波板2，通过塌陷造波板2两侧的水体位势差形成第一模态的内孤立波；

7）第一模态的内孤立波对待测圆柱块6产生作用力，通过托盘10内的砝码标定待测圆柱块6的受力大小；

8）激光器18对第一浓盐水液面200所在平面进行照射，形成光照平面，通过CCD设备19获得示踪粒子的图像，以进行后续的实验分析。

浓盐水和淡盐水的密度不加限制，本实施例中，优选的，所述浓盐水的密度为1.081g/cm³，淡盐水的密度为1.002g/cm³。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，其特征在于，包括水槽（1）和工作台（9），工作台（9）位于水槽（1）上方；所述水槽（1）底部中心竖直安装有下导流柱（5），工作台（9）下侧中心竖直安装有上导流柱（4），上导流柱（4）与下导流柱（5）在竖直方向上位置相对应，且上导流柱（4）与下导流柱（5）之间留有空隙；所述工作台（9）上安装有支撑座（13），支撑座（13）上端开设有半球形凹槽（14），螺杆（16）下端设置有楔形刀口（17），且楔形刀口（17）放置在半球形凹槽（14）内，楔形刀口（17）下端安装有连接杆，半球形凹槽（14）底部开设有供连接杆穿过的通孔，连接杆穿过通孔连接有支撑杆（7），支撑杆（7）位于上导流柱（4）内，支撑杆（7）的下端穿过上导流柱（4）并安装有待测圆柱块（6），待测圆柱块（6）位于上导流柱（4）与下导流柱（5）之间的空隙内；所述螺杆（16）下部水平安装有横杆（12），横杆（12）的两端对称安装有托盘（10）；所述工作台（9）上还安装有电导率传感器（3），且电导率传感器（3）位于水槽（1）内；所述水槽（1）左端还插设有坍塌造波板（2）；所述研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，还包括激光发射器（18）和CCD设备（19），激光发射器（18）位于水槽（1）的左侧或右侧，CCD设备（19）位于水槽（1）的前侧或后侧；所述横杆（12）一端还安装有平衡调节螺母（11）。

2.根据权利要求1所述的研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，其特征在于，所述螺杆（16）上部还安装有力矩调节螺母（15）。

3.根据权利要求2所述的研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，其特征在于，所述水槽（1）右端安装有消波板（8）。

4.根据权利要求3所述的研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，其特征在于，所述水槽（1）的长度为1m，宽度为0.1m，高度为0.2m。

5.根据权利要求4所述的研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，其特征在于，所述水槽（1）由金属框以及镶嵌在金属框内的玻璃板组装而成，金属框由金属支架组成。

6.一种基于如权利要求1-5任一所述的研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置的实验方法，其特征在于，步骤如下：

1）调节平衡调节螺母（11），使横杆（12）平衡；

2）向水槽（1）内放置第一浓盐水，形成第一浓盐水液面（200），第一浓盐水液面（200）所在水平面与消波板（8）中部所在水平面齐平；

3）将塌陷造波板（2）插入至水槽（1）内，并与水槽（1）底部留有缝隙，将水槽（1）分隔为左腔室和右腔室；

4）在左腔室的第一浓盐水液面（200）上铺设漂浮的海绵，从左腔室的第一浓盐水液面（200）上方，向左腔室内缓缓的加入第二浓盐水，形成第二浓盐水液面（300），使得左腔室的第二浓盐水液面（300）的高度低于右腔室的第一浓盐水液面（200）的高度；

5）在第一浓盐水液面（200）和第二浓盐水液面（300）上铺设漂浮的海绵，从左腔室的第二浓盐水液面（300）上方，向左腔室内加入淡盐水，从右腔室的第一浓盐水液面（200）上方，向右腔室内加入淡盐水，且左腔室和右腔室内淡盐水的液位高度相同，形成淡盐水液面（100）；

6）快速而稳定地抽掉塌陷造波板（2），通过塌陷造波板（2）两侧的水体位势差形成第一模态的内孤立波；

7）第一模态的内孤立波对待测圆柱块（6）产生作用力，通过托盘（10）内的砝码标定待测圆柱块（6）的受力大小；

8）激光器（18）对第一浓盐水液面（200）所在平面进行照射，形成光照平面，通过CCD设备（19）获得示踪粒子的图像，以进行后续的实验分析。

7.根据权利要求6所述的研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置的实验方法，其特征在于，所述浓盐水的密度为1.081g/cm³。

8.根据权利要求6所述的研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置的实验方法，其特征在于，所述淡盐水的密度为1.002g/cm³。