CN111445771B - 海底洋流模拟装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底洋流模拟装置，包括高压模拟舱，在高压模拟舱中进行地质分层构建包括海底上覆海水环境模拟单元、海底界面模拟单元、海底下伏沉积物模拟单元；还包括环境条件控制单元；海底界面模拟单元设置有海底流注入系统，海底流注入系统用于向海底界面模拟单元注入需要流速和流量的深海海水，达到模拟深海底层洋流的功能。本发明还提供该装置的控制方法，通过在高压模拟舱内模拟深海原位环境，真实模拟海底界面、海底下伏沉积物和海底上覆水环境，在保证深海原位物理、化学、地质环境条件的基础上，通过海底流注入系统模拟深海洋流的形成演化；在演化过程中，通过环境条件控制单元内置的部件和参数模拟不同形态和不同形式的深海洋流情况。

Description

海底洋流模拟装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，更具体的，涉及一种海底洋流模拟装置及其控制方法。

背景技术

相对于表层洋流来说，深海洋流多指海平面1000米以下的海水运动，尽管表面难以观测到，但是由于大洋输送带效应，深海洋流对世界气候变化的影响是长期的，科学家认为，海洋对10年以上时间尺度的气候变化的影响因素应该到深海去寻找。深海洋流促使深海海底流与海洋表层海水间进行物质交换，促进表层海水降温和二氧化碳吸收，对调节全球气候变化和全球生态系统具有举足轻重的影响。另一方面，深海底层海流变化是油气田开发设计(平台及海底管线等)、施工建设、运营维护以及后期弃置阶段不可回避的自然条件因素之一。深海洋流由于控制底层海水的运动变化对深海生态系统如深海冷泉生态系统，深海海山生态系统的物质输送和能量传递产生重要影响，是研究深海生态系统的重要考察因素。

深海洋流的主要研究手段包括深海实地探测、计算机模拟和实验室模拟等手段，深海实探测需要研究人员在怀疑存在深海洋流的海平面以下1000米处放置若干个检测仪，用来监测海水的流动，花费巨大。计算机模拟需要在厘清深海洋流基本原理的基础上，建立若干理论模型，可对洋流变化进行预测模拟，但是建立在若干假设条件的基础上。相对来说，实验室模拟可以用较小的成本模拟研究深海洋流的运动机理，同时，实验室模拟可以搭建室内深海洋流模拟平台，为深海其它需要考虑深海洋流因素的科学研究如深海冷泉生态系统的形成演化、深海油气田开发的构件强度研究测试、深海油气资源和矿产资源开发等提供试验平台，为交叉学科的发展提供基础研究平台。现有的深海洋流室内模拟研究主要在深水池或者深水井中进行水池试验，主要从洋流运动的角度着手，不注重海洋周围环境，不能实际反演深海海底周围及下伏沉积层环境情况，难以满足深海冷泉生态系统等前沿科学研究的需要。

发明内容

本发明为克服现有的深海洋流室内模拟研究主要在深水池或者深水井中进行水池试验，不注重海洋周围环境，存在无法实际反演深海海底周围及下伏沉积层环境情况，难以满足深海冷泉生态系统等前沿科学研究需要的技术缺陷，提供一种海底洋流模拟装置及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

海底洋流模拟装置，包括高压模拟舱，在所述高压模拟舱中进行地质分层构建，由上到下包括海底上覆海水环境模拟单元、海底界面模拟单元、海底下伏沉积物模拟单元；还包括环境条件控制单元，用于装置内部环境条件的控制及数据的采集；其中：

所述海底界面模拟单元设置有海底流注入系统，所述海底流注入系统用于向海底界面模拟单元注入深海海水，达到洋流模拟的作用。

上述方案中，通过在高压模拟舱内模拟深海原位环境，真实模拟海底界面、海底下伏沉积物和海底上覆水环境，在保证深海原位物理、化学、地质环境条件的基础上，通过海底流注入系统模拟深海洋流的形成演化；在演化过程中，通过环境条件控制单元内置的部件和参数模拟不同形态和不同形式的深海洋流情况。

上述方案中，本发明相对于海底实地探测深海洋流研究的花费大量减少，仅需要采集实地的环境数据便可实现模拟，不受海洋表面恶劣风浪环境条件的影响；同时，相对于现有的水池实验模拟深海洋流研究只关注流体运动的特定，本发明关注流体运动特征，在反演海底真实物理、化学参数的基础上，对不同形态的海底洋流过程进行模拟研究，为深海冷泉生态系统等其他交叉前沿科学提供基础研究平台；相对于计算机模拟深海洋流研究需要建立若干理论模型，设置大量的假设条件，模型参数理想化等问题，本发明提出装置假设条件少，更加贴近实际情况。

其中，所述海底流注入系统包括若干喷口、管路系统、注入泵组、调节阀和海水制备系统；其中：

所述喷口设置在海底界面处，通过所述管路系统与所述海水制备系统连接；

所述注入泵组、调节阀均设置在所述管路系统上；

所述注入泵组、调节阀和海水制备系统均与所述环境条件控制单元电性连接。

上述方案中，海水制备系统根据需要调配不同组分和不同温度的海水用于模拟产生底层海流需要；通过注入泵组将制备好的海水注入管路系统中，通过调节阀控制海水的流量，最后将海水经管路系统，由喷口喷射入高压模拟舱内，以达到洋流模拟的作用。

其中，在所述喷口上设置有控制器，所述控制器与所述环境条件控制单元电性连接，用于控制喷口的射程、喷洒面积和喷射方向。

上述方案中，所述喷口的形式可调节更换，管路系统要求耐压防腐，注入的流量可以通过控制器进行改变调节。

其中，所述海水制备系统包括海水储罐、热交换机组、高压海水注入泵、可控阀组和质量流量计；其中：

所述热交换机组设置在所述海水储罐上，用于海水的热量转换；

所述海水储罐通过高压海水注入泵、可控阀组与所述管路系统连通；

所述质量流量计设置在所述可控阀组出口处；

所述热交换机组、高压海水注入泵、可控阀组、质量流量计均与所述环境条件控制单元电性连接。

上述方案中，海水储罐用于存储海水，热交换机组用于对海水储罐内海水进行温度控制，高压海水注入泵用于将海水注入管路系统中，由可控阀组进行流量的控制，同时，由质量流量计计量海水的注入量，并将计量结果传送至环境条件控制单元中。

其中，在所述海底上覆海水环境模拟单元，通过在海底界面的上覆空间填充与实际海底环境一致或者相近的海水，实现对于海底界面以上的海洋底层水环境的模拟。

其中，所述海底下伏沉积物模拟单元用于对沉积物进行化学分带模拟，沉积物的化学分带自下而上包括厌氧氧化带和次氧氧化带，用于研究海底洋流与海底沉积物分布的交互影响。

上述方案中，沉积物的填充形式可改变，可用于研究海洋洋流与海底沉积物分布的交互影响。

其中，所述环境条件控制单元包括温度控制装置、压力检测装置、水气循环装置、流体探测记录装置、含硫溶液注入装置、含铁、锰盐溶液注入装置、海水存储装置和处理终端；其中：

所述水气循环装置、流体探测记录装置、含硫溶液注入装置、含铁、锰盐溶液注入装置均与所述处理终端电性连接；

所述水气循环装置一端通口设置在所述高压模拟舱顶部，另一端设置在高压模拟舱底部，实现高压模拟舱内气液流体的循环；

所述温度控制装置包括包裹在所述高压模拟舱外壁水浴换热层、均匀地设置在高压模拟舱内部的若干个温度传感器和温度控制器；所述温度传感器输出端与所述处理终端电性连接；所述温度控制器输出端与所述水浴换热层电性连接；所述温度控制器控制端与所述处理终端电性连接；

所述压力检测装置包括若干个压力传感器，所述压力传感器均匀地设置在高压模拟舱内部；所述压力传感器输出端与所述处理终端电性连接；

所述海水存储装置包括第二海水储罐、第二热交换机组、第二高压海水注入泵、第二可控阀组和第二质量流量计；所述第二热交换机组设置在所述第二海水储罐上，用于海水的热量转换；所述第二海水储罐通过第二高压海水注入泵、第二可控阀组与所述管路系统连通；所述第二质量流量计设置在所述第二可控阀组出口处；

所述处理终端与所述注入泵组、调节阀、热交换机组、高压海水注入泵、可控阀组、质量流量计、控制器、第二海水储罐、第二热交换机组、第二高压海水注入泵、第二可控阀组和第二质量流量计均与所述处理终端电性连接。

上述方案中，温度控制装置主要是提供深海洋流形成的深海温度环境条件，通过温度控制装置及水气循环装置对高压模拟舱内的气液流体进行循环和温度控制，保证海底上覆海水环境模拟单元、海底界面模拟单元、海底下伏沉积物模拟单元的温度分布一直保持与海底原位条件相近的状态。水气循环装置主要包括多台循环泵、换热机组、流速控制元件等组成。同时在高压模拟舱外部包覆有水浴换热层形成环壁温度控制，并且在不同层位均布设有温度传感器，实时监测装置内的温度变化。

上述方案中，压力检测装置主要是保障深海洋流附近的深海压力环境条件，通过在不同层位均匀布设压力传感器，实时监测装置内的压力变化，再控制液体注入装置注入液体，以保持海底上覆海水环境模拟单元、海底界面模拟单元、海底下伏沉积物模拟单元的压力环境与海底原位条件相近的状态；

其中，所述处理终端包括数据采集器、中央处理器、存储器和显示器；其中：

所述数据采集器输入端与质量流量计、温度传感器、压力传感器、第二质量流量计、流体探测记录装置输出端电性连接；数据采集器输出端与所述中央处理器输入端电性连接；

所述中央处理器与所述存储器电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器输出端与所述显示器输入端电性连接，用于采集信息的显示。

上述方案中，海底界面模拟单元是本发明的核心部分，在此界面进行深海洋流的形成演化模拟；海底界面要求面积空间较大以消除边界效应，在海底界面内根据需要对称或者单向布置多个流体喷口，喷口的射程、喷洒面积、喷射方向可自动调节。所述装置可以模拟环状流、玫瑰流、层流等不同形式的深海洋流形态；同时，在海底界面布设流体探测记录装置，实时记录产生的洋流形态、流速等关键信息。

海底洋流模拟装置的控制方法，包括以下步骤：

S1：根据实际情况在高压模拟舱内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

S2：在沉积物不同位置分别均匀注入硫酸盐溶液或者含铁、锰盐溶液，保证不同化学分带的氧化还原条件；

S3：向高压模拟舱内注入需要量的海水，构建海底上覆海水环境模拟单元；同时控制环境条件控制单元保证高压模拟舱内的物理、化学环境参数符合真实海底的深海洋流形成的环境条件；

S4：根据实际情况准备洋流发生需要的海水组分、海水量以及准备海底流注入系统；

S5：当所有环境条件保证到位后打开海底流注入系统，通过控制喷口的射程、喷洒面积和喷射方向模拟现实洋流情况；同时打开海水存储装置的相关阀门，保证高压模拟舱内压力的平衡；

S6：通过流体探测记录装置对洋流形成演化的状态进行实时探测和记录；在洋流发生及演化的全过程中，通过环境条件控制单元实时模拟舱内的各项环境参数指标变化情况，由处理终端进行记录。

其中，在所述步骤S5中，通过同时启闭或者有次序的先后启闭海底流注入系统，以模拟不同形态的洋流发生情况。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的海底洋流模拟装置及其控制方法，通过在高压模拟舱内模拟深海原位环境，真实模拟海底界面、海底下伏沉积物和海底上覆水环境，在保证深海原位物理、化学、地质环境条件的基础上，通过海底流注入系统模拟深海洋流的形成演化；在演化过程中，通过环境条件控制单元内置的部件和参数模拟不同形态和不同形式的深海洋流情况；相对于现有的水池实验模拟深海洋流研究只关注流体运动的特定，本发明关注流体运动特征，在反演海底真实物理、化学参数的基础上，对不同形态的海底洋流过程进行模拟研究，为深海冷泉生态系统等其他交叉前沿科学提供基础研究平台。

附图说明

图1为海底洋流模拟装置结构示意图；

图2为海底洋流模拟装置内部模块连接示意图；

图3为海底洋流模拟装置的控制方法步骤流程图；

其中：1、高压模拟舱；2、海底上覆海水环境模拟单元；3、海底界面模拟单元；4、海底下伏沉积物模拟单元；41、厌氧氧化带；42、次氧氧化带；5、环境条件控制单元；51、温度控制装置；511、水浴换热层；512、温度传感器；52、压力检测装置；521、压力传感器；53、水气循环装置；54、流体探测记录装置；55、含硫溶液注入装置；56、含铁、锰盐溶液注入装置；57、海水存储装置；571、第二海水储罐；572、第二热交换机组；573、第二高压海水注入泵；574、第二可控阀组；575、第二质量流量计；58、处理终端；581、数据采集器；582、中央处理器；583、存储器；584、显示器；6、海底流注入系统；61、喷口；62、管路系统；63、注入泵组；64、调节阀；65、海水制备系统；651、海水储罐；652、热交换机组；653、高压海水注入泵、654、可控阀组；655、质量流量计。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1、图2所示，海底洋流模拟装置，包括高压模拟舱1，在所述高压模拟舱1中进行地质分层构建，由上到下包括海底上覆海水环境模拟单元2、海底界面模拟单元3、海底下伏沉积物模拟单元4；还包括环境条件控制单元5，用于装置内部环境条件的控制及数据的采集；其中：

所述海底界面模拟单元3设置有海底流注入系统6，所述海底流注入系统6用于向海底界面模拟单元3注入深海海水，达到洋流模拟的作用。

在具体实施过程中，所述高压模拟舱1为直径8米的球状高压模拟舱1，模拟深海的物理、化学、地质环境，在这个深海环境中模拟洋流过程；包括真实模拟海底界面3、海底下伏沉积物4和海底上覆水环境2，其中真实模拟海底界面3是本发明的核心部分，在此界面进行深海洋流的形成演化模拟。如图1所示，本实例在真实模拟海底界面模拟单元3内均匀布置了12个流体喷口61，喷口61的射程、喷洒面积、喷射方向可自动调节。喷口61外界注入泵组63向海底界面模拟单元3内注入不同组分、不同流速、不同温度的深海海水。本发明涉及的海底洋流模拟装置可以模拟环状流、玫瑰流、层流等不同形式的深海洋流状态。同时，在海底界面布设流体探测记录装置54，实时记录产生的洋流形态、流速等关键信息。

更具体的，所述海底流注入系统6包括若干喷口61、管路系统62、注入泵组63、调节阀64和海水制备系统65；其中：

所述喷口61设置在海底界面处，通过所述管路系统62与所述海水制备系统65连接；

所述注入泵组63、调节阀64均设置在所述管路系统62上；

所述注入泵组63、调节阀64和海水制备系统65均与所述环境条件控制单元5电性连接。

在具体实施过程中，海水制备系统65根据需要调配不同组分和不同温度的海水用于模拟产生底层海流需要；通过注入泵组63将制备好的海水注入管路系统62中，通过调节阀64控制海水的流量，最后将海水经管路系统62，由喷口61喷射入高压模拟舱1内，以达到洋流模拟的作用。

更具体的，在所述喷口61上设置有控制器，所述控制器与所述环境条件控制单元5电性连接，用于控制喷口61的射程、喷洒面积和喷射方向。

在具体实施过程中，所述喷口61的形式可调节更换，管路系统62要求耐压防腐，注入的流量可以通过控制器进行改变调节。

更具体的，所述海水制备系统65包括海水储罐651、热交换机组652、高压海水注入泵653、可控阀组654和质量流量计655；其中：

所述热交换机组652设置在所述海水储罐651上，用于海水的热量转换；

所述海水储罐651通过高压海水注入泵653、可控阀组654与所述管路系统62连通；

所述质量流量计655设置在所述可控阀组654出口处；

所述热交换机组652、高压海水注入泵653、可控阀组654、质量流量计655均与所述环境条件控制单元5电性连接。

在具体实施过程中，海水储罐651用于存储海水，热交换机组652用于对海水储罐内海水进行温度控制，高压海水注入泵653用于将海水注入管路系统62中，由可控阀组654进行流量的控制，同时，由质量流量计655计量海水的注入量，并将计量结果传送至环境条件控制单元5中。

更具体的，在所述海底上覆海水环境模拟单元2，通过在海底界面的上覆空间填充与实际海底环境一致或者相近的海水，实现对于海底界面以上的海洋底层水环境的模拟。

更具体的，所述海底下伏沉积物模拟单元4用于对沉积物进行化学分带模拟，沉积物的化学分带自下而上包括厌氧氧化带41和次氧氧化带42，用于研究海底洋流与海底沉积物分布的交互影响。

在具体实施过程中，沉积物的填充形式可改变，可用于研究海洋洋流与海底沉积物分布的交互影响。

更具体的，所述环境条件控制单元5包括温度控制装置51、压力检测装置52、水气循环装置53、流体探测记录装置54、含硫溶液注入装置55、含铁、锰盐溶液注入装置56、海水存储装置57和处理终端58；其中：

所述水气循环装置53、流体探测记录装置54、含硫溶液注入装置55、含铁、锰盐溶液注入装置56均与所述处理终端58电性连接；

所述水气循环装置53一端通口设置在所述高压模拟舱1顶部，另一端设置在高压模拟舱1底部，实现高压模拟舱1内气液流体的循环；

所述温度控制装置51包括包裹在所述高压模拟舱1外壁水浴换热层511、均匀地设置在高压模拟舱1内部的若干个温度传感器512和温度控制器；所述温度传感器512输出端与所述处理终端58电性连接；所述温度控制器输出端与所述水浴换热层511电性连接；所述温度控制器控制端与所述处理终端58电性连接；

所述压力检测装置52包括若干个压力传感器521，所述压力传感器521均匀地设置在高压模拟舱1内部；所述压力传感器521输出端与所述处理终端58电性连接；

所述海水存储装置57包括第二海水储罐571、第二热交换机组572、第二高压海水注入泵573、第二可控阀组574和第二质量流量计575；所述第二热交换机组572设置在所述第二海水储罐571上，用于海水的热量转换；所述第二海水储罐571通过第二高压海水注入泵573、第二可控阀组574与所述管路系统62连通；所述第二质量流量计575设置在所述第二可控阀组574出口处；

所述处理终端58与所述注入泵组63、调节阀64、热交换机组652、高压海水注入泵653、可控阀组654、质量流量计655、控制器、第二海水储罐571、第二热交换机组572、第二高压海水注入泵573、第二可控阀组574和第二质量流量计575均与所述处理终端58电性连接。

在具体实施过程中，温度控制装置51主要是提供深海洋流形成的深海温度环境条件，通过温度控制装置51及水气循环装置53对高压模拟舱1内的气液流体进行循环和温度控制，保证海底上覆海水环境模拟单元2、海底界面模拟单元3、海底下伏沉积物模拟单元4的温度分布一直保持与海底原位条件相近的状态。水气循环装置53主要包括多台循环泵、换热机组、流速控制元件等组成。同时在高压模拟舱1外部包覆有水浴换热层511形成环壁温度控制，并且在不同层位均布设有温度传感器512，实时监测装置内的温度变化。

在具体实施过程中，由于高压模拟舱1中海水量大，海水温度无法仅靠水浴换热层511实现控制，此时利用水气循环装置53上安装的循环泵将高压模拟舱1内温度高的海水抽离高压模拟舱1，在换热机组中实现换热降温后流回高压模拟舱1中，实现对高压模拟舱1中海水的降温。如此循环，实现快速地将高压模拟舱1中的海水进行均匀地降温，降至设定预期设定值时，可通过水气循环装置53的流速控制元件控制海水流动的速度或关闭水气循环装置53流动管道。

在具体实施过程中，在高压模拟舱1的水浴换热层511表面设置有保温层，两层结构将高压模拟舱1包裹在中间，使其与外界的温度交换减缓，水浴换热层511能够实现流体的流动，其通过循环泵将里边的水抽出，之后采用制冷机组进行降温，降温之后泵回到水浴换热层511中，相当于水浴换热层511与高压模拟舱1的外壁实现热交换，当高压模拟舱1中各个原件工况状态下产生的热量能被水浴换热层511带出，从而保持整个高压模拟舱1内一直处于稳定的低温环境，更好的模拟深海海水环境。

在具体实施过程中，通过设置在不同层位的温度传感器512对高压模拟舱1内的温度实现实时的监控，根据检测结果控制水气循环装置53及水浴换热层511内流体的流速，从而达到对高压模拟舱1内温度的稳定控制。

更具体的，在水气循环装置53上还安装有海水制冷机组。

在具体实施过程中，高压模拟舱1温度控制的过程具体为：包括降温阶段、增压阶段和保温阶段；其中：

降温阶段包括：

1)向高压模拟舱1内注入海水；

2)启动海水制冷机组并调节流速控制元件，通过循环泵将高压模拟舱1内温度高的海水抽离高压模拟舱1；

3)在换热机组实现换热降温后流回高压模拟舱1中，实现对高压模拟舱1中海水的降温，直至高压模拟舱1内海水温度降至设定值，完成降温阶段；

增压阶段：

当温度传感器512监测到高压模拟舱1内海水温度达到设定值时，向高压模拟舱1内注入气体和液体，实现高压模拟舱1内的增压；

直至高压模拟舱1内压力达到设定值，完成增压阶段；

保温阶段：

当压力检测装置52监测到高压模拟舱1内压力达到设定值时，在水浴换热层511表面敷设保温层；

启动制冷机组，水浴换热层511内部流体在循环泵的作用下循环流动，通过水浴换热层511的盘管和管路系统的换热器不断地将高压模拟舱1内各原件工况状态时产生的热量换走，保证了高压模拟舱1内在工作期内一直处于预设的温度环境，且整个模拟舱内温度分布均匀。

在具体实施过程中，压力检测装置52主要是保障深海洋流附近的深海压力环境条件，通过在不同层位均匀布设压力传感器521，实时监测装置内的压力变化，再控制液体注入装置注入液体，以保持海底上覆海水环境模拟单元2、海底界面模拟单元3、海底下伏沉积物模拟单元4的压力环境与海底原位条件相近的状态；

更具体的，所述处理终端58包括数据采集器581、中央处理器582、存储器583和显示器584；其中：

所述数据采集器581输入端与质量流量计655、温度传感器512、压力传感器521、第二质量流量计575、流体探测记录装置54输出端电性连接；数据采集器输出端581与所述中央处理器582输入端电性连接；

所述中央处理器582与所述存储器583电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器582输出端与所述显示器584输入端电性连接，用于采集信息的显示。

在具体实施过程中，海底界面模拟单元3是本发明的核心部分，在此界面进行深海洋流的形成演化模拟；海底界面要求面积空间较大以消除边界效应，在海底界面内根据需要对称或者单向布置多个流体喷口61，喷口61的射程、喷洒面积、喷射方向可自动调节。所述装置可以模拟环状流、玫瑰流、层流等不同形式的深海洋流形态；同时，在海底界面布设流体探测记录装置54，实时记录产生的洋流形态、流速等关键信息。

在具体实施过程中，不同海域环境洋流海水的组分不同，密度不同，流体的粘性不一样，流动状态也会有区别，因此海水制备系统65根据需要调配不同组分和不同温度的海水用于模拟产生底层海流需要，使得该模拟系统所产生的洋流更贴近于现实环境。同时，通过喷口61上设置的控制器控制洋流的流场和形态。

实施例2

更具体的，在实施例1的基础上，提供一种海底洋流模拟装置的控制方法，包括以下步骤：

S1：根据实际情况在高压模拟舱1内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

S2：在沉积物不同位置分别均匀注入硫酸盐溶液或者含铁、锰盐溶液，保证不同化学分带的氧化还原条件；

S3：向高压模拟舱1内注入需要量的海水，构建海底上覆海水环境模拟单元2；同时控制环境条件控制单元5保证高压模拟舱1内的物理、化学环境参数符合真实海底的深海洋流形成的环境条件；

S4：根据实际情况准备洋流发生需要的海水组分、海水量以及准备海底流注入系统6；

S5：当所有环境条件保证到位后打开海底流注入系统6，通过控制喷口61的射程、喷洒面积和喷射方向模拟现实洋流情况；同时打开海水存储装置57的相关阀门，保证高压模拟舱1内压力的平衡；

S6：通过流体探测记录装置54对洋流形成演化的状态进行实时探测和记录；在洋流发生及演化的全过程中，通过环境条件控制单元5实时模拟舱内的各项环境参数指标变化情况，由处理终端58进行记录。

更具体的，在所述步骤S5中，通过同时启闭或者有次序的先后启闭海底流注入系统6，以模拟不同形态的洋流发生情况。

在具体实施过程中，首先通过装置运行，提供深海洋流形成的原位深海条件。首先在模拟装置内分层填充准备海底上覆海水环境模拟单元2、海底界面模拟单元3、海底下伏沉积物模拟单元4；先根据实际情况在高压模拟舱1内填充厚度为4米的粉砂质沉积物，保证分布、孔隙状态参数等与海底真实条件一致或者接近。同时在距离模拟舱底部1米和3米的位置分别均匀注入硫酸盐溶液或者含铁、锰盐溶液等保证沉积物的厌氧氧化带和次氧氧化带的化学分布；然后想高压模拟舱1内注入需要量的海水，构建海底上覆海水环境模拟单元2；同时控制环境条件控制单元5保证高压模拟舱1内的物理、化学环境参数符合真实海底的深海洋流形成的环境条件；随后根据实际情况配置洋流发生需要的盐度为3.5％的海水以及注入系统准备到位；在所有环境条件保证到位后，打开海底流注入系统6，可开启左边6个喷口61，当海底界面出现均与流动状态后，再开启右边6个喷口1，并对洋流形成演化的状态进行实时探测和记录；在深海洋流发生及演化的全过程中实时模拟舱内的各项环境参数指标变化情况。

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.海底洋流模拟装置，其特征在于：包括高压模拟舱(1)，在所述高压模拟舱(1)中进行地质分层构建，由上到下包括海底上覆海水环境模拟单元(2)、海底界面模拟单元(3)、海底下伏沉积物模拟单元(4)；还包括环境条件控制单元(5)，用于装置内部环境条件的控制及数据的采集；其中：

所述海底界面模拟单元(3)设置有海底流注入系统(6)，所述海底流注入系统(6)用于向海底界面模拟单元(3)注入深海海水，达到洋流模拟的作用；

其中，所述海底流注入系统(6)包括若干喷口(61)、管路系统(62)、注入泵组(63)、调节阀(64)和海水制备系统(65)；其中：

所述喷口(61)设置在海底界面处，通过所述管路系统(62)与所述海水制备系统(65)连接；

所述注入泵组(63)、调节阀(64)均设置在所述管路系统(62)上；

所述注入泵组(63)、调节阀(64)和海水制备系统(65)均与所述环境条件控制单元(5)电性连接；

其中，所述海水制备系统(65)包括海水储罐(651)、热交换机组(652)、高压海水注入泵(653)、可控阀组(654)和质量流量计(655)；其中：

所述热交换机组(652)设置在所述海水储罐(651)上，用于海水的热量转换；

所述海水储罐(651)通过高压海水注入泵(653)、可控阀组(654)与所述管路系统(62)连通；

所述质量流量计(655)设置在所述可控阀组(654)出口处；

所述热交换机组(652)、高压海水注入泵(653)、可控阀组(654)、质量流量计(655)均与所述环境条件控制单元(5)电性连接。

2.根据权利要求1所述的海底洋流模拟装置，其特征在于：在所述喷口(61)上设置有控制器，所述控制器与所述环境条件控制单元(5)电性连接，用于控制喷口(61)的射程、喷洒面积和喷射方向。

3.根据权利要求2所述的海底洋流模拟装置，其特征在于：在所述海底上覆海水环境模拟单元(2)，通过在海底界面的上覆空间填充与实际海底环境一致或者相近的海水，实现对于海底界面以上的海洋底层水环境的模拟。

4.根据权利要求3所述的海底洋流模拟装置，其特征在于：所述海底下伏沉积物模拟单元(4)用于对沉积物进行化学分带模拟，沉积物的化学分带自下而上包括厌氧氧化带(41)和次氧氧化带(42)，用于研究海底洋流与海底沉积物分布的交互影响。

5.根据权利要求4所述的海底洋流模拟装置，其特征在于：所述环境条件控制单元(5)包括温度控制装置(51)、压力检测装置(52)、水气循环装置(53)、流体探测记录装置(54)、含硫溶液注入装置(55)、含铁、锰盐溶液注入装置(56)、海水存储装置(57)和处理终端(58)；其中：

所述水气循环装置(53)、流体探测记录装置(54)、含硫溶液注入装置(55)、含铁、锰盐溶液注入装置(56)均与所述处理终端(58)电性连接；

所述水气循环装置(53)一端通口设置在所述高压模拟舱(1)顶部，另一端设置在高压模拟舱(1)底部，实现高压模拟舱(1)内气液流体的循环；

所述温度控制装置(51)包括包裹在所述高压模拟舱(1)外壁水浴换热层(511)、均匀地设置在高压模拟舱(1)内部的若干个温度传感器(512)和温度控制器；所述温度传感器(512)输出端与所述处理终端(58)电性连接；所述温度控制器输出端与所述水浴换热层(511)电性连接；所述温度控制器控制端与所述处理终端(58)电性连接；

所述压力检测装置(52)包括若干个压力传感器(521)，所述压力传感器(521)均匀地设置在高压模拟舱(1)内部；所述压力传感器(521)输出端与所述处理终端(57)电性连接；

所述海水存储装置(57)包括第二海水储罐(571)、第二热交换机组(572)、第二高压海水注入泵(573)、第二可控阀组(574)和第二质量流量计(575)；所述第二热交换机组(572)设置在所述第二海水储罐(571)上，用于海水的热量转换；所述第二海水储罐(571)通过第二高压海水注入泵(573)、第二可控阀组(574)与所述管路系统(62)连通；所述第二质量流量计(575)设置在所述第二可控阀组(574)出口处；

所述处理终端(58)与所述注入泵组(63)、调节阀(64)、热交换机组(652)、高压海水注入泵(653)、可控阀组(654)、质量流量计(655)、控制器、第二海水储罐(571)、第二热交换机组(572)、第二高压海水注入泵(573)、第二可控阀组(574)和第二质量流量计(575)电性连接。

6.根据权利要求5所述的海底洋流模拟装置，其特征在于：所述处理终端(58)包括数据采集器(581)、中央处理器(582)、存储器(583)和显示器(584)；其中：

所述数据采集器(581)输入端与质量流量计(655)、温度传感器(512)、压力传感器(521)、第二质量流量计(575)、流体探测记录装置(54)输出端电性连接；数据采集器(581)输出端与所述中央处理器(582)输入端电性连接；

所述中央处理器(582)与所述存储器(583)电性连接，实现信息交互；

所述中央处理器(582)输出端与所述显示器(584)输入端电性连接，用于采集信息的显示。

7.海底洋流模拟装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据实际情况在高压模拟舱(1)内填充准备海底沉积物化学分带，保证沉积物的厚度、分布及孔隙参数等与海底真实条件一致或相近；

S2：在沉积物不同位置分别均匀注入硫酸盐溶液或者含铁、锰盐溶液，保证不同化学分带的氧化还原条件；

S3：向高压模拟舱(1)内注入需要量的海水，构建海底上覆海水环境模拟单元(2)；同时控制环境条件控制单元(5)保证高压模拟舱(1)内的物理、化学环境参数符合真实海底的深海洋流形成的环境条件；

S4：根据实际情况准备洋流发生需要的海水组分、海水量以及准备海底流注入系统(6)；

S5：当所有环境条件保证到位后打开海底流注入系统(6)，通过控制喷口(61)的射程、喷洒面积和喷射方向模拟现实洋流情况；同时打开海水存储装置(57)的相关阀门，保证高压模拟舱(1)内压力的平衡；

S6：通过流体探测记录装置(54)对洋流形成演化的状态进行实时探测和记录；在洋流发生及演化的全过程中，通过环境条件控制单元(5)实时模拟舱内的各项环境参数指标变化情况，由处理终端(58)进行记录。

8.根据权利要求7所述的海底洋流模拟装置的控制方法，其特征在于，在所述步骤S5中，通过同时启闭或者有次序的先后启闭海底流注入系统(6)，以模拟不同形态的洋流发生情况。

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