CN108594905B - 一种可控制内波水槽流体分层装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控制内波水槽流体分层装置，包括盐水箱以及与盐水箱相连的水槽，所述水槽在注水口处设有开合结构，所述开合结构设有伸缩装置，开合结构在伸缩装置的控制下展开收缩以控制从注水口进入到水槽中的水流的速度。本发明通过在注水口处设置开合结构，并人为控制开合结构的展开收缩程度来控制进入到水槽中的盐水的流速，使得盐水对水的冲击效果不同，形成不同浓度梯度分层的混合层。本发明通过开合结构调节盐水流速最终实现对混合层的浓度梯度分层进行改变，首先省去原有方法中混合液体的设备，减少制作成本，其次还能够尽可能地避免水槽中的盐水与上层淡水因为分子扩散而充分混合。
Description
技术领域
本发明属于海洋内波技术领域，更加具体的说，是涉及一种可控制内波水槽流体分层装置及其方法。
背景技术
内波是一种重要的海水运动，是转移大中尺度运动能量的重要环节，也是引起海水混合、形成细微结构的重要原因。它将海洋上层能量传至深层，也将深处较冷的海水连同其中的营养物质带到较暖的浅层，从而促进生物的生长。因此内波的研究成为了研究的重点，而要形成内波关键是要对海洋分层环境的模型。目前国内内波实验室采用的是双缸法进行分层水的制取。但是双缸法不能实现盐水任意分层的形式，因此专利CN201410141258.3，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。该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。但是，无论是双缸法还是上述的方法，都需要将盐水与淡水搅拌混合调配特定浓度的盐水后再注入到分层水池，但由于搅拌时间过长导致整个实验的时间过长，水槽中的淡水与盐水有可能已经发生分子扩散而实现一定程度的混合，使得水槽中无法得到特定的盐水密度剖面，很多内波实验无法开展。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够快速而且简单的可控制内波水槽流体分层装置及其方法。
为实现上述目的，本设计发明提供如下技术方案：
一种可控制内波水槽流体分层装置，包括盐水箱以及与盐水箱相连的水槽，所述水槽在注水口处设有开合结构，所述开合结构设有伸缩装置，开合结构在伸缩装置的控制下展开收缩以控制从注水口进入到水槽中的水流的速度以及方向，所述盐水箱与水槽之间设有用于将盐水箱的盐水输入到水槽中的水流控制装置。
一种可控制内波水槽流体分层装置，包括盐水箱以及与盐水箱相连的水槽，所述水槽在注水口处设有开合结构，所述开合结构设有伸缩装置，开合结构在伸缩装置的控制下展开收缩以控制从注水口进入到水槽中的水流的速度与方向。
本发明通过在注水口处设置开合结构，并人为控制开合结构的展开收缩程度来控制进入到水槽中的盐水的流速以及方向，使得盐水对水的冲击效果不同，形成不同浓度梯度分层的混合层。当需要盐分浓度梯度的变化大，相对较薄且分层明显的过渡层时，可以展开开合结构，减缓盐水进入到水槽时的速度以及调节其进入到水槽时的方向，让其更加平缓地进入到水槽中，而需要盐分浓度梯度的变化小，相对较厚且分层不明显的过渡层时，则可以收缩开合结构，让开合结构不再阻碍盐水的流入，让盐水与水分充分混合。本发明通过开合结构调节盐水流速最终实现对混合层的浓度梯度分层进行改变，一方面省去原有方法中混合液体的设备，减少制作成本，另一方面，由于减少了液体混合的步骤，人们无需等待液体充分混合后再加入水槽，缩短了操作的时间，所以能够尽可能地避免水槽中的盐水与上层淡水因为分子扩散而充分混合。
所述流体分层装置还包括中央处理单元，所述中央处理单元与水流控制装置信号连接，所述水流控制装置为恒速泵，用于将盐水以恒定速度从盐水箱输送到水槽。
主要考虑到无论采用泵体或其它设备来改变流速，都会存在一定的误差，很难准确地控制好流速，而且本方法不需要通过控制流速来形成不同浓度梯度分层的混合层，因此为了避免泵体的误差导致形成的浓度梯度跟预想的不一致，本发明采用了恒速泵用于将盐水以恒定速度从盐水箱输送到水槽。
优选地，所述伸缩装置包括一端固定在开合结构上的主轴、滑动设置在主轴上的滑动块以及一端设置在滑动块上，另一端设置在开合结构上的若干连接件，所述连接件均匀分布在开合结构四周。
本发明通过滑动块来带动开合结构往外撑开或向内收起，实现对将要注入水槽的盐水的流速进行控制。
优选地，所述伸缩装置设有用于控制滑动块移动的步进电机。
优选地，所述水槽沿高度方向设有若干盐水浓度检测装置，所述盐水浓度检测装置之间的间隔一致。所述盐水浓度检测装置主要设置在水槽的中部或者底部。所述盐水浓度检测装置为电导率仪，由于电导率与溶解的电解质的浓度成正比，所以通过电导率仪就能获悉当前位置下盐水的浓度。
优选地，所述水槽设有用于维持水槽温度的温度调节装置。
由于水中的温度发生变化也会引起内波的变化，为了控制单一变量，所以需要设置温度调节装置，保持水槽中的温度恒定，优选地，在盐水箱中也可以设置温度调节装置，使得盐水箱与水槽中的液体温度一致，避免盐水进入到水槽后影响到水槽中液体的温度。
优选地，所述开合结构为圆形结构，且材质为塑胶薄膜。而主轴、连接件、滑动块为不锈钢材质。
一种运用如上述的可控制内波水槽立体分层装置的方法，包括以下步骤：
S1、往水槽中灌淡水，形成清水层；
S2、将盐水箱中的高浓度的盐水通过水流控制装置输送到位于水槽底部的注入口；
S3、位于注入口处的开合结构通过展开收缩自身来控制盐水进入水槽的速度以及方向，从而使得部分盐水与清水混合形成不同盐水浓度梯度的混合层；
S4、剩余的盐水进入到水槽底部，形成盐水层；
优选地，在步骤S2中，所述水流控制装置的输送量保持不变。
优选地，在步骤S3中，还包括盐水浓度检测装置检测混合层中盐水浓度梯度的情况，并将信息传输到中央处理单元，中央处理单元控制开合结构不断调节角度，使得盐水在不同时间段以不同速度以及方向进入水槽，形成特定的盐水浓度梯度的混合层。
当盐水浓度检测装置检测到混合层的跨度较大，浓度梯度小则可以及时展开开合结构，使得开合结构能阻碍盐水直接冲击混合层，阻止混合层的跨度继续变大，使得浓度梯度变大。如果混合层的跨度较小，浓度梯度大则及时关闭开合结构，将盐水直接冲入水槽与淡水混合，使得混合层的跨度变大，从而获取得到一个浓度梯度变化小的梯度。
本方法的有益效果为：
（1）本发明通过开合结构调节盐水流速最终实现对混合层的浓度梯度分层进行改变，省去原有方法中混合液体的设备，减少设备成本以及工作量，有利于实验的进行。
（2）由于减少了液体混合的步骤，人们无需等待液体充分混合后再加入水槽，缩短了操作的时间，所以能够尽可能地避免水槽中的盐水与上层淡水因为分子扩散而充分混合。
附图说明
图1为本发明的爆炸图。
图2为开合结构的结构示意图。
图3为实施例1中不同a角度与电导率关系示意图。
图中标识：1、盐水箱；2、水槽；21、注水口；3、开合结构；31、滑动块；32、主轴；33、连接件；4、水流控制装置；a、开合结构与开合结构完全展开时所处平面的夹角。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种可控制内波水槽流体分层装置，包括盐水箱1以及与盐水箱1相连的水槽2，所述水槽2在注水口21处设有开合结构3，所述开合结构3设有伸缩装置，开合结构3在伸缩装置的控制下展开收缩以控制从注水口21进入到水槽2中的水流的速度及方向，所述盐水箱1与水槽2之间设有用于将盐水箱1的盐水输入到水槽2中的水流控制装置4，所述中央处理单元与水流控制装置4信号连接。
优选地，所述伸缩装置包括一端固定在开合结构3上的主轴32、滑动设置在主轴32上的滑动块以及一端设置在滑动块上，另一端设置在开合结构3上的若干连接件33，所述连接件33均匀分布在开合结构3四周。所述连接件优选为铰链或者连接杆。
本发明通过滑动块来带动开合结构3往外撑开或向内收起，实现对将要注入水槽2的盐水的流速进行控制。
优选地，所述水流控制装置（4）为恒速泵，用于将盐水以恒定速度从盐水箱1输送到水槽2。
主要考虑到在实际上采用泵体来改变流速，会存在一定的误差，很难准确地控制好流速，而且本方法不需要通过控制流速来形成不同浓度梯度分层的混合层，因此为了避免泵体的误差导致形成的浓度梯度跟预想的不一致，本发明采用了恒速泵4用于将盐水以恒定速度从盐水箱1输送到水槽2。
优选地，所述伸缩装置设有用于控制滑动块移动的步进电机。
优选地，所述水槽2沿高度方向设有若干盐水浓度检测装置，所述盐水浓度检测装置之间的间隔一致。所述盐水浓度检测装置主要设置在水槽2的中部或者底部。所述盐水浓度检测装置为电导率仪，由于电导率与溶解的电解质的浓度成正比，所以通过电导率仪就能获悉当前位置下盐水的浓度。
优选地，所述水槽2设有用于维持水槽2温度的温度调节装置。
由于水中的温度发生变化也会引起内波的变化，为了控制单一变量，所以需要设置温度调节装置，保持水槽2中的温度恒定，优选地，在盐水箱1中也可以设置温度调节装置，使得盐水箱1与水槽2中的液体温度一致，避免盐水进入到水槽2后影响到水槽2中液体的温度。
优选地，所述开合结构3为圆形结构，且材质为塑胶薄膜。而主轴32、连接件33、滑动块31为不锈钢材质，所述滑动块31为卡箍。驱动电机或者手工带动滑动块31沿着主轴32移动，由于滑动块31的移动使得连接件33也跟着拉动开合结构3，使得开合结构3展开或者缩合。所述开合结构3展开时正对注水口21。
一种运用如上述的可控制内波水槽立体分层装置的方法，包括以下步骤：
S1、往水槽2中灌淡水，形成清水层；
S2、将盐水箱1中的高浓度的盐水通过泵输送到位于水槽2底部的注入口；
S3、位于注入口处的开合结构3通过展开收缩自身来控制盐水进入水槽2的速度，从而使得部分盐水与清水混合形成不同盐水浓度梯度的混合层；
S4、剩余的盐水进入到水槽2底部，形成盐水层；
优选地，在步骤S2中，所述水流控制装置4的输送量保持不变。
优选地，在步骤S3中，还包括盐水浓度检测装置检测混合层中盐水浓度梯度的情况，并将信息传输到中央处理单元，中央处理单元控制开合结构3不断调节角度，使得盐水在不同时间段以不同速度进入水槽2，形成特定的盐水浓度梯度的混合层。
当盐水浓度检测装置检测到混合层的跨度较大，浓度梯度小则可以及时展开开合结构3，使得开合结构3能阻碍盐水直接冲击混合层，阻止混合层的跨度继续变大，使得浓度梯度变大。如果混合层的跨度较小，浓度梯度大则及时关闭开合结构3，将盐水直接冲入水槽2与淡水混合，使得混合层的跨度变大，从而获取得到一个浓度梯度小的梯度。
并且为了更好解释，我们引入一个角度a，所述a为开合结构3与开合结构3完全展开时所处平面的夹角。所述a=90°时，开合结构完全打开，正对注水口而且与从注水口进入的盐水流动方向相垂直。a=0°时，开合结构完全闭合。
在实际例子中，使用1500ml/min的恒定泵对已存有深度为20cm淡水的800mm*800mm*800mm的水槽2输送液体，自水槽2底部灌入同样20cm深的盐度为3‰的浓盐水，在开合结构3与开合结构3完全展开时所处平面的夹角a=90°时，入水口产生了一定的入射紊流，从而导致位于下层的浓盐水与上层的淡水产生了很大程度的混合。
而当其它条件相同，当a=0°的情况下，浓盐水注入时产生的入射紊流受到了阻挡，从而平缓地注入淡水当中。最终分界面位于约20cm处，产生了一个分层明确的平面。
适当地展开角度至a=30°的位置时，浓盐水的入射紊流受到了阻挡作用，但没有像a=0°时那样完全阻挡向上入流，因此最终分界面位于约22cm处，混合层的厚度有所增加。
如图3所示，当a=0°时，混合层的厚度较薄而且浓度梯度大，当a=90°时，混合层较厚且浓度梯度小，当a=30°时，混合层厚度较第一种情况大，而小于a=90°时的情况。研究人员可以根据实际需要改变a的大小，从而控制盐水混合层的浓度梯度，方便其研究内波的产生。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可控制内波水槽流体分层装置，其特征在于，包括盐水箱（1）、与盐水箱（1）相连的水槽（2）以及中央处理单元，所述水槽（2）在注水口（21）处设有开合结构（3），所述开合结构（3）设有伸缩装置，开合结构（3）在伸缩装置的控制下展开收缩以控制从注水口（21）进入到水槽（2）中的水流的速度以及方向，所述盐水箱（1）与水槽（2）之间设有用于将盐水箱（1）的盐水输入到水槽（2）中的水流控制装置（4），所述中央处理单元与水流控制装置（4）信号连接；
还包括盐水浓度检测装置，用于检测混合层中盐水浓度梯度的情况，并将信息传输到中央处理单元，中央处理单元控制开合结构（3）不断调节角度，使得盐水在不同时间段以不同速度与方向进入水槽（2），形成盐水浓度梯度的混合层。
2.根据权利要求1所述的一种可控制内波水槽流体分层装置，其特征在于，所述水流控制装置（4）为恒速泵，用于将盐水以恒定速度从盐水箱（1）输送到水槽（2）。
3.根据权利要求1所述的一种可控制内波水槽流体分层装置，其特征在于，所述伸缩装置包括一端固定在开合结构（3）上的主轴（32）、滑动设置在主轴（32）上的滑动块（31）以及一端设置在滑动块（31）上，另一端设置在开合结构（3）上的若干连接件（33），所述连接件（33）均匀分布在开合结构（3）四周。
4.根据权利要求3所述的一种可控制内波水槽流体分层装置，其特征在于，所述伸缩装置设有用于控制滑动块（31）移动的步进电机。
5.根据权利要求1所述的一种可控制内波水槽流体分层装置，其特征在于，所述水槽（2）沿高度方向设有若干盐水浓度检测装置，所述盐水浓度检测装置之间的间隔一致。
6.根据权利要求1所述的一种可控制内波水槽流体分层装置，其特征在于，所述水槽（2）设有用于维持水槽（2）温度的温度调节装置。
7.一种运用权利要求1-6任一项所述流体分层装置的可控制内波水槽立体分层方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、往水槽（2）中灌淡水，形成清水层；S2、将盐水箱（1）中的高浓度的盐水通过水流控制装置（4）输送到位于水槽（2）底部的注水口（21）；S3、位于注水口处的开合结构（3）通过展开收缩自身来控制盐水进入水槽（2）的速度与方向，从而使得部分盐水与清水混合形成不同盐水浓度梯度的混合层；S4、剩余的盐水进入到水槽（2）底部，形成盐水层。
8.根据权利要求7所述的一种可控制内波水槽立体分层方法，其特征在于，在步骤S2中，所述水流控制装置（4）的输送量保持不变。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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