CN110823192A - 一种测量海洋表层湍流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种测量海洋表层湍流的方法，包括组装波浪监控摄像头、振动传感器和GPS模块；收集波浪监控摄像头的图像数据和振动传感器的振动数据；利用空中摄像机对水面进行拍摄；建立波浪监控摄像头和振动传感器周围水面起伏影像并进行修正；得到表层湍流模型；计算湍流剪切力和摩擦力。本发明的方法，通过漂浮拍摄补偿摄像机振动振幅的方法获得某一地域上下振动模型，利用空中拍摄的方法获得表层水流流向模型，将振动模型和水流平面流向模型利用计算机合并，即可获得该地域水流表层湍流造成下一刻水的流向，从而粗略估计下一刻水流流向，从而计算该处表层湍流的模型和剪切力等，在表层湍流监测领域具有广泛的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋观测领域，特别涉及一种测量海洋湍流的方法。
背景技术
湍流被认为是经典物理中最后一个没有解决的问题，湍流模型是指确定湍流输运项的一组代数或微分方程,通过这组方程,Reynolds方程得以封闭.它基于对湍流过程的假设,借助经验常数或函数,建立高阶湍输运项与低阶湍输运项直至与平均流之间的某种关系。
常用的湍流模型可根据所采用的微分方程数进行分类为:零方程模型、一方程模型、两方程模型、四方程模型、七方程模型等。对于简单流动而言，一般随着方程数的增多，精度也越高，计算量也越大、收敛性也越差。但是，对于复杂的湍流运动，则不一定。
湍流模式理论或简称湍流模型。湍流运动物理上近乎无穷多尺度漩涡流动和数学上的强烈非线性，使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题。虽然N-S方程能够准确地描述湍流运动地细节，但求解这样一个复杂的方程会花费大量的精力和时间。实际上往往采用平均N-S方程来描述工程和物理学问题中遇到的湍流运动。当我们对三维非定常随机不规则的有旋湍流流动的N-S方程平均后，得到相应的平均方程，此时平均方程中增加了六个未知的雷诺应力项，从而形成了湍流基本方程的不封闭问题。根据湍流运动规律以寻找附加条件和关系式从而使方程封闭就促使了几年来各种湍流模型的发展，而且在平均过程中失去了很多流动的细节信息，为了找回这些失去的流动信息，也必须引入湍流模型。虽然许多湍流模型已经取得了某些预报能力，但至今还没有得到一个有效的统一的湍流模型。
但是基本上所有的湍流模型都是模拟边界层和剪切层流动，都是对有旋均匀剪切流，自由流(射流和混合层)，腔道流动和边界层流动等全方位湍流过程的建模。而在海洋研究中，很多时候只是想了解表层湍流方向和受力，比如油污的扩散控制等需要了解的海洋表层湍流的模型，可是目前却没有只针对海洋表面的湍流模型。
发明内容
针对现有技术中湍流模型都是模拟边界层和剪切层流动，都是对有旋均匀剪切流，自由流(射流和混合层)，腔道流动和边界层流动等全方位湍流过程的建模，却没有只针对海洋表面的湍流模型的技术问题，本发明提供了一种测量海洋表层湍流的方法，利用高清摄像头拍摄和振动传感器获得某一时刻某一区域振动位移数据和该位置摄像头拍摄的水面数据，通过计算机补偿的办法将漂浮在水面上的摄像机自身的振幅补偿到水面波纹波动中，即可获得该时刻该区域水的表面上下振动数据模型，在利用无人机在悬停状态下，拍摄某一时刻水面水流的路径，获得水面湍流的平面流动模型，将两个模型通过计算结整合记得到表面湍流模型，从而能够预判下一个该地域湍流的振幅和水流的流向。
本发明提供的一种测量海洋表层湍流的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)在一个浮体上固定波浪监控摄像头，固定波浪监控摄像头上部固定振动传感器和GPS模块。
(2)将带有波浪监控摄像头和振动传感器的浮体放入水中，使其漂流开，在漂流半个小时以上后，开始收集波浪监控摄像头的图像数据和振动传感器的振动数据。
(3)在空中放入无人机或者气球携带的摄像机，利用空中摄像机对水面进行拍摄。
(4)将波浪监控摄像头和振动传感器数据输入到计算机中，建立波浪监控摄像头和振动传感器周围水面起伏影像，利用振动传感器测得的振动数据对起伏影像进行修正得到该区域水面起伏数据。
(5)将步骤(3)测得水面水流流向视频和该区域水面起伏数据拟合，得到表层湍流模型。
(6)根据表层湍流模型计算湍流剪切力和摩擦力。
本发明中，步骤(3)在空中放入无人机或者气球携带的摄像机，在水面上撒入漂浮粉末，利用空中摄像机对水面进行拍摄。
本发明中，步骤(3)在空中放入气球携带的摄像机，气球采用氢气或者氦气气球，而且气球和波浪监控摄像头连接。
本发明中，通过GPS模块获得位置坐标，利用位置坐标和步骤(5)得到表层湍流模型建立该坐标下的表层湍流模型，将不同坐标的表层湍流模型结合得到区域表层湍流模型。
本发明中，通过GPS模块获得时间信息，利用时间信息和步骤(5)得到表层湍流模型建立该段时间下的表层湍流模型，将一定时间段的表层湍流模型结合得到该区域整体湍流模型。
本发明中，浮体上设有无线发射模块，所有数据经过无线发射模块发出。
本发明中，浮体下呈圆锥形。
本发明中，步骤(6)湍流剪切力的计算方法是根据模型，找出该处水流从最高点到最低点时所用的时间和位移，计算该处水的加速度，通过水的密度换算湍流剪切力。
本发明中，步骤(6)湍流摩擦力的计算方法是根据模型，找出该处水流从水平一处移动到相邻波谷的时间和位移，计算该处水的加速度，通过水的密度换算湍流摩擦力。
本发明中，测量记录数据测试时的风速和温度，根据不同的风速和温度建立不同气象条件下湍流模型。
本发明的有益效果:
本发明提供的一种测量海洋表层湍流的方法，通过漂浮拍摄补偿摄像机振动振幅的方法获得某一地域上下振动模型，利用空中拍摄的方法获得表层水流流向模型，将振动模型和水流平面流向模型利用计算机合并，即可获得该地域水流表层湍流造成下一刻水的流向，从而粗略估计下一刻水流流向，通过加入不同气象条件下的湍流建模数据，即可判断得知该处表层湍流的模型和剪切力等，在表层湍流监测领域具有广泛的适用性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但本发明的方法不限于下述实施例。
本发明中所用到的波浪监控摄像头、浮体等能够普通市场途径采购或者定制获得，所用到的波浪监控摄像头型号是摄徒SJ7000高清防抖防水运动摄像机，所用到的浮体是泡沫板或者密度小于水密度的塑料板，
实施例一：本发明测量海洋表层湍流的方法
本发明提供的一种测量海洋表层湍流的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)在一个浮体上固定波浪监控摄像头，固定波浪监控摄像头上部固定振动传感器和GPS模块。
(2)将带有波浪监控摄像头和振动传感器的浮体放入水中，使其漂流开，在漂流半个小时以上后，开始收集波浪监控摄像头的图像数据和振动传感器的振动数据。
(3)在空中放入无人机或者气球携带的摄像机，在水面上撒入漂浮塑料粉末，利用空中摄像机对水面进行拍摄。如果采用气球，则气球用氢气或者氦气气球，而且气球和波浪监控摄像头连接。如果用无人机则需要悬停稳定性良好的无人机。
(4)将波浪监控摄像头和振动传感器数据输入到计算机中，建立波浪监控摄像头和振动传感器周围水面起伏影像，利用振动传感器测得的振动数据对起伏影像进行修正得到该区域水面起伏数据。
(5)将步骤(3)测得水面水流流向视频和该区域水面起伏数据拟合，得到表层湍流模型。
(6)根据表层湍流模型计算湍流剪切力和摩擦力。
本发明中，通过GPS模块获得位置坐标，利用位置坐标和步骤(5)得到表层湍流模型建立该坐标下的表层湍流模型，将不同坐标的表层湍流模型结合得到区域表层湍流模型。
实施例二：本发明测量海洋表层湍流的方法
本发明提供的一种测量海洋表层湍流的方法，所述方法包括组装设备，采集波浪监控摄像头的图像数据和振动传感器的振动数据。采集空中摄像机对水面进行拍摄数据。利用计算机建立波浪监控摄像头和振动传感器周围水面起伏影像，利用振动传感器测得的振动数据对起伏影像进行修正。通过GPS模块获得时间信息，利用时间信息和步骤(5)得到表层湍流模型建立该段时间下的表层湍流模型，将一定时间段的表层湍流模型结合得到该区域整体湍流模型。
本发明中，浮体上设有无线发射模块，所有数据经过无线发射模块发出。
本发明中，浮体下呈圆锥形。
实施例三：本发明测量海洋表层湍流的方法
本发明中，步骤(6)湍流剪切力的计算方法是根据模型，找出该处水流从最高点到最低点时所用的时间和位移，计算该处水的加速度，通过水的密度换算湍流剪切力。通过找出该处水流从水平一处移动到相邻波谷的时间和位移，计算该处水的加速度，通过水的密度换算湍流摩擦力。
实施例四：本发明测量海洋表层湍流的方法
本发明中，通过测量记录数据测试时的风速和温度，根据不同的风速和温度建立不同气象条件下湍流模型。将步骤(3)测得水面水流流向视频和该区域水面起伏数据拟合，得到表层湍流模型。根据表层湍流模型计算湍流剪切力和摩擦力。通过测量记录数据测试时的风速和温度，根据不同的风速和温度建立不同气象条件下湍流模型。
如上所述，即可较好地实现本发明，上述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种测量海洋表层湍流的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)在一个浮体上固定波浪监控摄像头，固定波浪监控摄像头上部固定振动传感器和GPS模块；
(2)将带有波浪监控摄像头和振动传感器的浮体放入水中，使其漂流开，在漂流半个小时以上后，开始收集波浪监控摄像头的图像数据和振动传感器的振动数据；
(3)在空中放入无人机或者气球携带的摄像机，利用空中摄像机对水面进行拍摄；
(4)将波浪监控摄像头和振动传感器数据输入到计算机中，建立波浪监控摄像头和振动传感器周围水面起伏影像，利用振动传感器测得的振动数据对起伏影像进行修正得到该区域水面起伏数据；
(5)将步骤(3)测得水面水流流向视频和该区域水面起伏数据拟合，得到表层湍流模型；
(6)根据表层湍流模型计算湍流剪切力和摩擦力。
2.如权利要求1所述的测量海洋表层湍流的方法，其特征在于，所述步骤(3)在空中放入无人机或者气球携带的摄像机，在水面上撒入漂浮粉末，利用空中摄像机对水面进行拍摄。
3.如权利要求1所述的测量海洋表层湍流的方法，其特征在于，所述步骤(3)在空中放入气球携带的摄像机，气球采用氢气或者氦气气球，而且气球和波浪监控摄像头连接。
4.如权利要求1所述的测量海洋表层湍流的方法，其特征在于，所述通过GPS模块获得位置坐标，利用位置坐标和步骤(5)得到表层湍流模型建立该坐标下的表层湍流模型，将不同坐标的表层湍流模型结合得到区域表层湍流模型。
5.如权利要求1所述的测量海洋表层湍流的方法，其特征在于，所述通过GPS模块获得时间信息，利用时间信息和步骤(5)得到表层湍流模型建立该段时间下的表层湍流模型，将一定时间段的表层湍流模型结合得到该区域整体湍流模型。
6.如权利要求1所述的测量海洋表层湍流的方法，其特征在于，所述浮体上设有无线发射模块，所有数据经过无线发射模块发出。
7.如权利要求6所述的测量海洋表层湍流的方法，其特征在于，所述浮体下呈圆锥形。
8.如权利要求5所述的测量海洋表层湍流的方法，其特征在于，所述步骤(6)湍流剪切力的计算方法是根据模型，找出该处水流从最高点到最低点时所用的时间和位移，计算该处水的加速度，通过水的密度换算湍流剪切力。
9.如权利要求1所述的测量海洋表层湍流的方法，其特征在于，所述步骤(6)湍流摩擦力的计算方法是根据模型，找出该处水流从水平一处移动到相邻波谷的时间和位移，计算该处水的加速度，通过水的密度换算湍流摩擦力。
10.如权利要求1所述的测量海洋表层湍流的方法，其特征在于，所述测量记录数据测试时的风速和温度，根据不同的风速和温度建立不同气象条件下湍流模型。
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