CN113504028A - 模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟孤立波波‑波相互作用的多功能环形水槽装置，包括环形水槽、分支水槽、造波系统、渗流系统和支架系统。环形水槽和分支水槽二者通过齿轮链接，可自由调节二者之间的夹角。造波系统包括伺服电机、拍板与机械臂；渗流系统包括亚克力材料的量筒和土槽组成。可通过控制实验装置，模拟孤立波发生波‑波相互作用，并设定发生强相互作用（Mach效应）的条件，模拟内波及其相互作用和渗流对沉积物再悬浮的影响，并观测实验结果。本发明结构简单，操作方便，可以通过两套独立的造波系统,来实现不同孤立波发生波‑波相互作用，以及海床渗流和内波影响下沉积物再悬浮，克服直形水槽占用空间大、操作复杂的缺点。

Description

模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置及方法

技术领域

发明涉及海洋工程地质与水动力学实验研究领域，具体而言，特别涉及一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置。

背景技术

孤立波分为内孤立波和表面孤立波，是一种非常特殊的内波，在海洋中是一种中小尺度过程，它能够长距离传播并保持波形基本不变。典型的孤立波，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，振幅最大可达上百米。孤立波对海洋环境具有重要影响，并威胁水下航行器的安全。

水槽是研究孤立波的重要设备，但对于孤立波，由于其波长较长直形水槽难以满足试验要求，符合条件的水槽通常都是大型水槽，实验难度大且不经济；相比之下，环形水槽具有以时间换空间的优势，能够满足孤立波的时间尺度要求，因此环形水槽成为研究孤立波的重要设备。波-波相互作用是孤立波常见的现象，目前对其研究较少，限制于直形水槽很难满足要求。渗流作用也会影响沉积物再悬浮，但目前缺少量化渗流作用的设备。因此，目前亟需一种研究孤立波波-波相互作用和海床渗流的环形水槽。

发明内容

为了弥补现有直形水槽的不足，本发明提供了一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置及方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置，包括环形水槽、支架系统、供水系统、造波系统和渗流系统，其中，环形水槽通过齿轮链接有分支水槽，造波系统安装在水槽和分支水槽上部，环形水槽和分支水槽从造波系统至交叉点的距离相同,造波系统包括伺服电机、拍板和机械臂所述供水系统包括水箱和水泵，水箱通过出水口和水槽进水口分别与环形水槽和分支水槽相连，水泵通过抽水和排水可以调节水槽内液体高度；水箱13下部设有进水口，水泵通过进水口控制抽水和排水；

支架系统包括支撑底盘，支撑底盘安装在环形水槽的底部。

渗流系统包括亚克力材料的量筒和土槽；环形水槽壁上设置有电阻率阵列20的若干电阻率探头；照相系统设置在环形水槽外部观测分层水界面变化。

当环形水槽和分支水槽制造的两个孤立波及其两个水槽的夹角θ，满足

，且夹角θ<127°，则发生强相互作用；如果θ<48°，则发生斜相互作用，式中，a1和a2分别为两个孤立波的振幅，h1和h2分别为上下层液体高度。

作为优选方案，环形水槽和分支水槽的材质为透明亚克力材料，环形水槽设置有隔板和消波板。

进一步地，环形水槽和分支水槽通过齿轮链接，外部有密封材料，可通过量角尺自由调节环形水槽和分支水槽之间的夹角。

作为优选方案，支撑底盘下表面固定安装有不锈钢结构的支撑腿，不锈钢结构支撑腿的底端设置有万向滚轮。

一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置的工作方法,具体包括以下步骤：

S1、在土槽内铺设人工海床，注入分层液体至环形水槽和分支水槽，注入液体至量筒；

S2、根据

调整环形水槽和分支水槽的夹角；

S3、启动造波系统，通过伺服电机同时制造两个孤立波；

S4、启动电阻率阵列，监测水槽内密度变化过程；

S5、启动照相系统，观测沉积物悬浮过程；

S6、通过水泵抽水和排水调节水槽内液体高度；

S7、重复步骤S2-S6，调整环形水槽和分支水槽的夹角可以发生不同程度的相互作用，直至满足实验要求。

本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：本发明通过设置具有分支水槽的环形水槽，可通过控制实验装置，模拟孤立波发生波-波相互作用，并设定发生强相互作用（Mach效应）的条件，以及内波及其相互作用和渗流对沉积物再悬浮的而影响，并观测实验结果。本发明结构简单，操作方便，可以通过两套独立的造波系统,来实现不同孤立波发生波-波相互作用，以及海床渗流和内波影响下沉积物再悬浮，克服直形水槽占用空间大、操作复杂的缺点,具有以时间换空间的优势，能够满足孤立波的时间尺度要求，占用空间小，机械装置整体结构简洁、操作简单。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的附视结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为环形水槽和分支水槽链接结构示意图，

图4为两个孤立波发生强相互作用。

其中，图1至图3中附图标记与部件之间的对应关系为：

1、环形水槽，2、隔板，3、拍板，4、消波板，5、伺服电机，6、机械臂，7、分支水槽，8、齿轮,9、密封材料，10、不锈钢结构，11、万向滚轮，12、支撑底盘，13、水箱，14、进水口，15、出水口，16、水泵，17、水槽进水口，18、量筒，19、土槽，20、电阻率阵列，21、照相系统，22、量角尺。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合图1至图3对本发明的实施例的模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置及方法进行具体说明。

如图1至图3所示，本发明提出了一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置，包括环形水槽1、支架系统、供水系统和造波系统，其中，环形水槽1通过齿轮8链接连接有分支水槽7，造波系统安装在水槽1和分支水槽7上部，环形水槽1和分支水槽7从造波系统至交叉点（两水槽中间线的交点）的距离相同,造波系统包括伺服电机5、拍板3和机械臂6，伺服电机5通过机械臂6带动拍板3上下拍击分层水，进而扰动水体产生内波，此时必须保证两个伺服电机5同时工作，只有这样才能使产生的内波发生强相互作用。

供水系统包括水箱13和水泵16，水箱13通过出水口15和水槽进水口17分别与环形水槽1和分支水槽7相连，水泵16通过抽水和排水可以调节水槽1和分支水槽7内液体高度；进水口14安装在水箱13下部，水泵16通过进水口14控制抽水和排水。

支架系统包括支撑底盘12，支撑底盘12安装在环形水槽1的底部。支撑底盘12下表面固定安装有不锈钢结构的支撑腿10，不锈钢结构支撑腿10的底端设置有万向滚轮11。

渗流系统包括亚克力材料的量筒18和土槽19，渗流系统与土槽19相连，通过调节量筒18的水头高度对土槽19施加不同的渗流力；环形水槽1壁上设置有电阻率阵列20的若干电阻率探头；照相系统21设置在环形水槽1外部观测分层水界面变化，进而分析内波参数。

环形水槽1和分支水槽7的材质为透明亚克力材料。环形水槽1设置有隔板2和消波板4，隔板2将水槽分成两部分，消波板4可以消除内波，使水槽内水体恢复平静。环形水槽1和分支水槽7通过齿轮8链接，外部有密封材料9，可通过量角尺22自由调节环形水槽1和分支水槽7之间的夹角。环形水槽1和分支水槽7制造的两个孤立波及其两个水槽的夹角θ，如果满足

，且夹角θ<127°，则发生强相互作用；如果θ<48°，则发生斜相互作用，式中，a1和a2分别为两个孤立波振幅，h1和h2分别为上下层液体高度。

一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置的方法,具体包括以下步骤：

S1、在土槽19内铺设人工海床，注入分层液体至环形水槽（1）和分支水槽7，注入液体至量筒18；

S2、根据

调整环形水槽1和分支水槽7的夹角；

S3、启动造波系统，通过伺服电机5同时制造两个孤立波；

S4、启动电阻率阵列20，监测水槽内密度变化过程；

S5、启动照相系统21，观测沉积物悬浮过程；

S6、通过水泵16抽水和排水调节水槽内液体高度；

S7、重复步骤S2-S6，调整环形水槽1和分支水槽7的夹角θ可以发生不同程度的相互作用，直至满足实验要求。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置，包括环形水槽（1）、支架系统、供水系统、造波系统和渗流系统，其特征在于,所述环形水槽（1）通过齿轮（8）链接有分支水槽（7），造波系统安装在水槽（1）和分支水槽（7）上部，环形水槽（1）和分支水槽（7）从造波系统至交叉点的距离相同,造波系统包括伺服电机（5）、拍板（3）和机械臂（6）所述供水系统包括水箱（13）和水泵（16），水箱（13）通过出水口（15）和水槽进水口（17）分别与环形水槽（1）和分支水槽（7）相连，水泵（16）通过抽水和排水可以调节水槽（1）内液体高度；水箱13下部设有进水口（14），水泵（16）通过进水口（14）控制抽水和排水；

所述支架系统包括支撑底盘（12），支撑底盘（12）安装在环形水槽（1）的底部；

所述渗流系统包括亚克力材料的量筒18和土槽19；环形水槽（1）壁上设置有电阻率阵列20的若干电阻率探头；照相系统21设置在环形水槽（1）外部观测分层水界面变化；

当环形水槽（1）和分支水槽（7）制造的两个孤立波及其两个水槽的夹角θ，满足

，且夹角θ<127°，则发生强相互作用（Mach效应）；如果θ<48°，则发生斜相互作用，式中，a1和a2分别为两个孤立波的振幅，h1和h2分别为上下层液体高度。

2.根据权利要求1所述的一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置，其特征在于,所述环形水槽（1）和分支水槽（7）的材质为透明亚克力材料，环形水槽（1）设置有隔板（2）和消波板（4）。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置，其特征在于,所述环形水槽（1）和分支水槽（7）通过齿轮（8）链接，外部有密封材料（9），可通过量角尺（22）自由调节环形水槽（1）和分支水槽（7）之间的夹角。

4.根据权利要求1所述的一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置，其特征在于,所述支撑底盘（12）下表面固定安装有不锈钢结构的支撑腿（10），不锈钢结构支撑腿（10）的底端设置有万向滚轮（11）。

5.如权利要求1-4所述的一种模拟孤立波波-波相互作用的多功能环形水槽装置的方法,其特征在于,具体包括以下步骤：

S1、在土槽（19）内铺设人工海床，注入分层液体至环形水槽（1）和分支水槽（7），注入液体至量筒（18）；

S2、根据

调整环形水槽（1）和分支水槽（7）的夹角；

S3、同时启动造波系统，通过伺服电机（5）同时制造两个孤立波；

S4、启动电阻率阵列（20），监测水槽内密度变化过程；

S5、启动照相系统（21），观测沉积物悬浮过程；

S6、通过水泵（16）抽水和排水调节水槽内液体高度；

S7、重复步骤S2-S6，调整环形水槽（1）和分支水槽（7）的夹角可以发生不同程度的相互作用，直至满足实验要求。

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