CN113742900B - 一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋模拟技术领域，公开了一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置及方法；装置包括支撑架，水平设置在支撑架上且上端开口的圆形腔体，设置在圆形腔体内部的陆架模拟块，设置在圆形腔体内的海洋环流模拟装置；圆形腔体内部放置有模拟海水的液体，液体内设置有流动标记物；方法包括：通过海洋环流模拟装置控制液体进水口、出水口位置，使得液体形成流动循环，模拟洋流；通过陆架模拟块的第一陆地模拟块、第二陆地模拟块在水中升起落下模拟退潮涨潮；本发明能够模拟多种海洋环流与潮汐，并且形象直观的展示海洋环流与潮汐，能够直观展示，实用性强。

Description

一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋模拟领域，具体是涉及一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置及方法。

背景技术

洋流是指海水沿着一定方向有规律的具有相对稳定速度的水平流动，是从一个海区水平或垂直地向另一个海区大规模的非周期性的运动，是海水的主要运动形式。海洋中首尾相接的海流所构成的相对独立的环流系统或流旋为海洋环流，海洋中存在着很多条海流，每一条海流终年基本上按照一个固定的路径流动，这些海流就像人体的血液循环一样，把整个世界大洋连成一体，使得世界大洋的水文、化学要素及热盐状况等能够保持长期的稳定。

海洋环流被誉为海洋中的传送带，是整个世界大洋乃至地球科学系统保持长期稳定的重要因素。海水开始运动后，因受科里奥利力影响，流向与风向并不一致。洋流根据流动海水温度的高低，可以将洋流分为暖流和寒流。暖流比流经海区的水温高，寒流比流经海区的水温低。

海洋环流学是一门比较复杂的学科，它涉及到模式方程的建立、数值的模拟等等，并且不同的海洋模式其模拟出的效果并不完全相同，不同的样本集产生的模拟效果不同。为了培养学生成为海洋科学专业人才必备的专业知识，提升理论水平，急需要提供一种能够模拟多种不同海洋环流、潮汐的模拟装置。

发明内容

本发明解决的技术问题是：通过调节水流走向、水流温度模拟多种不同海洋环流与潮汐，并且形象直观的展示海洋环流与潮汐。

本发明的技术方案是：一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，包括设置在水平地面上的支撑架，水平设置在所述支撑架上且上端开口的圆形腔体，设置在所述圆形腔体内部的陆架模拟块，设置在所述圆形腔体内的海洋环流模拟装置；

所述圆形腔体内部放置有模拟海水的液体，所述液体内设置有流动标记物；

所述海洋环流模拟装置包括设置在所述圆形腔体内的用于模拟寒流、暖流的第一洋流模拟单元，设置在所述圆形腔体侧边内壁上的第二洋流模拟单元；

所述第一洋流模拟单元包括垂直设置在所述圆形腔体中心的中心转筒，两组活动设置在所述中心转筒上的转动杆件，分别安装在所述两组转动杆件上的寒流模拟结构、暖流模拟结构；

每组转动杆件均包括两个旋转安装在中心转筒上的转动轨道；

所述寒流模拟结构、暖流模拟结构均包括分别滑动设置在所述转动轨道上的第一进水口、第一出水口，安装在圆形腔体下方的温度调节箱，连通所述第一进水口、温度调节箱的进水管，连通所述第一出水口、温度调节箱的出水管，以及设置在温度调节箱上的负压组件；

所述第二洋流模拟单元包括安装在圆形腔体内侧壁下端的圆环轨道，多组活动设置在所述圆环轨道上的第二进水口、第二出水口，多根分别连通所述第二进水口、第二出水口的循环管道，以及设置在所述循环管道上的循环泵；

所述陆架模拟块包括设置在所述圆形腔体底部的海底模拟板，设置在所述海底模拟板上方的第一陆地模拟块，设置在所述海底模拟板上方且位于圆形腔体侧边区域的第二陆地模拟块，以及设置在第一陆地模拟块、第二陆地模拟块正下方的潮汐模拟结构。

进一步地，所述潮汐模拟结构包括设置在第一陆地模拟块、第二陆地模拟块正下方的气囊弹簧，与所述气囊弹簧连通的充气装置，设置在所述气囊弹簧上的放气阀。通过充气装置、放气阀控制气囊弹簧伸长、收缩，使得第一陆地模拟块、第二陆地模拟块在水中升起、落下，起到模拟真实潮汐的效果。

进一步地，所述第一陆地模拟块、第二陆地模拟块边缘设置有模拟大陆架的斜坡，所述斜坡上设有潮汐标记刻线。斜坡能够提高第一陆地模拟块、第二陆地模拟块涨潮起落的真实性，标记刻线便于对潮水涨落进行数字量化，得到精准的涨潮数据。

进一步地，所述圆形腔体上端还设有季风模拟单元；

所述季风模拟单元包括活动设置在所述圆形腔体上端转动圆环，多个均匀安装在所述转动圆环上的出风口，与所述出风口连通的鼓风装置，设置在所述鼓风装置、出风口连接处的电磁阀门，以及用于向转动圆环提供动力的动力模块。

引起海流运动的因素主要动力是风，也可以是热盐效应造成的海水密度分布的不均匀性。前者表现为作用于海面的风应力，后者表现为海水中的水平气压强梯度力。加上地转偏向力的作用，便造成海水既有水平流动，又有垂直流动。摩擦流中最重要的是风海流。盛行风对水面摩擦力的作用，以及风在波浪迎风面上所施的压力迫使海水向前运动。其中盛行风是风海流的主要动力；因此通过鼓风装置、出风口、转动圆环能够模拟不同方向的季风，实现模拟季风对海流影响，提高模拟真实性。

进一步地，所述中心转筒包括垂直设置在圆形腔体中心的安装轴，四个从上至下层叠设置在所述安装轴上的伺服电机；

所述伺服电机内部中空与安装轴过盈配合，外部与转动杆件栓接。

四个伺服电机能够分别控制转动杆件的转动，实现对两组第一进水口、第一出水口的多角度调节。

进一步地，所述转动轨道通过滚轴丝杠与第一进水口、第一出水口连接；所述滚轴丝杠包括与转动轨道平行设置的丝杠本体，活动设置在所述丝杠本体上且能够与第一进水口、第一出水口连接的移动块。

滚轴丝杠的设置能够实现对第一进水口、第一出水口移动调节，结合伺服电机能够使得两组第一进水口、第一出水口在海底模拟板任意部位进行进水、出水，驱动水流模拟出不同的洋流。

进一步地，所述流动标记物采用彩色丝带或塑料悬浮物。通过彩色丝带或者塑料悬浮物能够直接展示模拟处洋流流动的方向，便于人眼直接观察。

进一步地，所述潮汐模拟结构包括垂直固定的限位套管，活动设置在所述限位套管内且上端与第一陆地模拟块、第二陆地模拟块连接的伸缩杆，设置在所述伸缩杆下端的转动曲轴，以及向所述转动曲轴提供动力的动力模块；

通过伸缩杆在限位套管内上下伸缩运动，使得第一陆地模拟块、第二陆地模拟块进行上下浮动，实现潮汐模拟。

采用上述模拟装置进行潮汐及海洋环流模拟方法，包括以下步骤：

S1：放水

向圆形腔体内部放入清水，直至水面至第一陆地模拟块、第二陆地模拟块下边沿；其中圆形腔体内壁的直径为2～6m；

S2：洋流模拟单元工作

首先第二洋流模拟单元的循环泵启动，通过第二进水口、第二出水口、循环管道使得圆形腔体内部的水流整体形成循环；然后第一洋流模拟单元负压组件启动，使水流通过第一进水口进入温度调节箱进行温度调节，然后通过第一出水口排出，模拟洋流；

S3：模拟潮汐

充气装置工作，向气囊弹簧中充气，使得第一陆地模拟块、第二陆地模拟块在水中升起，模拟退潮；放气阀对气囊弹簧泄压，使第一陆地模拟块、第二陆地模拟块在水中落下，模拟涨潮；

S4：实施调节

通过流动标记物的流动方向，第一进水口、第一出水口可在转动轨道转东下改变位置，第二进水口、第二出水口可在圆环轨道转动下改变位置，从而改变洋流流向，模拟多种洋流。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，本装置通过两组第一进水口、第一出水口以及温度调节箱的设置能够实现对寒流、暖流的温度调节；通过滚轴丝杠、中心转轴分别驱动转动轨道能够使得第一进水口、第一出水口在不同的位置进行进出水，使得水流进行不同方向的流向，实现对不同洋流状况的模拟；第一陆地模拟块具有较长的边缘，能够模拟交大的陆地板块；第二陆地模拟块能够模拟较小的陆地；通过潮汐模拟结构控制陆地模拟块升降，使得水流在其边缘涨落，实现对潮汐涨落的模拟。

附图说明

图1是本发明实施例1整体的结构示意图；

图2是本发明实施例1寒流模拟结构、暖流模拟结构的结构示意图；

图3是本发明实施例1第二洋流模拟单元的结构示意图；

图4是本发明实施例1潮汐模拟结构的结构示意图；

图5是本发明实施例1中心转筒的结构示意图；

图6是本发明实施例2滚轴丝杠的结构示意图；

图7是本发明实施例2季风模拟单元的结构示意图；

图8是本发明实施例3潮汐模拟结构的结构示意图；

其中，1-支撑架、10-圆形腔体、11-季风模拟单元、110-转动圆环、111-出风口、112-鼓风装置、113-电磁阀门、114-动力模块、2-陆架模拟块、20-海底模拟板、21-第一陆地模拟块、22-第二陆地模拟块、23-潮汐模拟结构、230-气囊弹簧、231-充气装置、232-放气阀、240-限位套管、241-伸缩杆、242-转动曲轴、243-动力模块、220-斜坡、221-潮汐标记刻线、3-海洋环流模拟装置、31-中心转筒、32-转动杆件、33-寒流模拟结构、34-暖流模拟结构、320-转动轨道、340-第一进水口、341-第一出水口、342-温度调节箱、343-进水管、344-出水管、345-负压组件、35-圆环轨道、36-第二进水口、37-第二出水口、38-循环管道、39-循环泵、310-安装轴、311-伺服电机、321-丝杠本体、322-移动块。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，包括设置在水平地面上的支撑架1，水平设置在支撑架1上且上端开口的圆形腔体10，设置在圆形腔体10内部的陆架模拟块2，设置在圆形腔体10内的海洋环流模拟装置3；

圆形腔体10内部放置有模拟海水的清水，液体内设置有彩色丝带；

海洋环流模拟装置3包括设置在圆形腔体10内的用于模拟寒流、暖流的第一洋流模拟单元，设置在圆形腔体10侧边内壁上的第二洋流模拟单元；

如图2所示，第一洋流模拟单元包括垂直设置在圆形腔体10中心的中心转筒31，两组活动设置在中心转筒31上的转动杆件32，分别安装在两组转动杆件32上的寒流模拟结构33、暖流模拟结构34；

每组转动杆件32均包括两个旋转安装在中心转筒31上的转动轨道320；

寒流模拟结构33、暖流模拟结构34均包括分别滑动设置在转动轨道320上的第一进水口340、第一出水口341，安装在圆形腔体10下方的温度调节箱342，连通第一进水口340、温度调节箱342的进水管343，连通第一出水口341、温度调节箱342的出水管344，以及设置在温度调节箱342上的负压组件345；

如图3所示，第二洋流模拟单元包括安装在圆形腔体10内侧壁下端的圆环轨道35，3组活动设置在圆环轨道35上的第二进水口36、第二出水口37，3根分别连通第二进水口36、第二出水口37的循环管道38，以及设置在循环管道38上的循环泵39；

如图1所示，陆架模拟块2包括设置在圆形腔体10底部的海底模拟板20，设置在海底模拟板20上方的第一陆地模拟块21，设置在海底模拟板20上方且位于圆形腔体10侧边区域的第二陆地模拟块22，以及设置在第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22正下方的潮汐模拟结构23。

如图4所示，潮汐模拟结构23包括设置在第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22正下方的气囊弹簧230，与气囊弹簧230连通的充气装置231，设置在气囊弹簧230上的放气阀232。

第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22边缘设置有模拟大陆架的斜坡220，斜坡220上设有潮汐标记刻线221。

如图5所示，中心转筒31包括垂直设置在圆形腔体10中心的安装轴310，四个从上至下层叠设置在安装轴310上的伺服电机311；

伺服电机311内部中空与安装轴310过盈配合，外部与转动杆件32栓接。

其中，伺服电机311、充气装置231、气囊弹簧230、放气阀232、循环泵39、温度调节箱342、负压组件345均采用市售组件，且具体的产品型号本领域内工作人员可根据需要进行选择。

采用上述模拟装置进行的潮汐及海洋环流模拟方法，包括以下步骤：

S1：放水

向圆形腔体10内部放入清水，直至水面至第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22下边沿；其中圆形腔体10内壁的直径为2m；

S2：洋流模拟单元工作

首先第二洋流模拟单元的循环泵39启动，通过第二进水口36、第二出水口37、循环管道38使得圆形腔体10内部的水流整体形成循环；然后第一洋流模拟单元负压组件345启动，使水流通过第一进水口340进入温度调节箱342进行温度调节，然后通过第一出水口341排出，模拟洋流；

S3：模拟潮汐

充气装置231工作，向气囊弹簧230中充气，使得第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22在水中升起，模拟退潮；放气阀232对气囊弹簧230泄压，使第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22在水中落下，模拟涨潮；

S4：实施调节

通过流动标记物的流动方向，第一进水口340、第一出水口341可在转动轨道320转动下改变位置，第二进水口36、第二出水口37可在圆环轨道35转动下改变位置，从而改变洋流流向，模拟多种洋流。

实施例2：

与实施例1不同的是：

如图7所示，圆形腔体10上端还设有季风模拟单元11；

季风模拟单元11包括活动设置在圆形腔体11上端转动圆环110，3个均匀安装在转动圆环110上的出风口111，与出风口111连通的鼓风装置112，设置在鼓风装置112、出风口111连接处的电磁阀门113，以及用于向转动圆环110提供动力的动力模块114。

如图6所示，转动轨道320通过滚轴丝杠与第一进水口340、第一出水口341连接；滚轴丝杠包括与转动轨道320平行设置的丝杠本体321，活动设置在丝杠本体321上且能够与第一进水口340、第一出水口341连接的移动块322。

圆形腔体10内部放置有模拟海水的清水，液体内设置有塑料悬浮物。

其中，鼓风装置112、动力模块114、电磁阀门113均采用现有市售产品，且具体的产品型号本领域内工作人员可根据需要进行选择。

采用上述模拟装置进行的潮汐及海洋环流模拟方法，包括以下步骤：

S1：放水

向圆形腔体10内部放入清水，直至水面至第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22下边沿；其中圆形腔体10内壁的直径为6m；

S2：洋流模拟单元工作

首先第二洋流模拟单元的循环泵39启动，通过第二进水口36、第二出水口37、循环管道38使得圆形腔体10内部的水流整体形成循环；然后第一洋流模拟单元负压组件345启动，使水流通过第一进水口340进入温度调节箱342进行温度调节，然后通过第一出水口341排出，模拟洋流；

鼓风装置112通过电磁阀门113向出风口111输送气流，通过动力模块114控制出风口111在转动圆环110上转动调节风向，实现模拟不同方向的季风。

S3：模拟潮汐

充气装置231工作，向气囊弹簧230中充气，使得第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22在水中升起，模拟退潮；放气阀232对气囊弹簧230泄压，使第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22在水中落下，模拟涨潮；

S4：实施调节

通过流动标记物的流动方向，第一进水口340、第一出水口341可在转动轨道320转动下，通过滚轴丝杠上移动块322移动调节位置；

第二进水口36、第二出水口37可在圆环轨道35转动下改变位置，从而改变洋流流向，模拟多种洋流。

实施例3：

与实施例1不同的是：如图8所示，潮汐模拟结构23包括垂直固定的限位套管240，活动设置在限位套管240内且上端与第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22连接的伸缩杆241，设置在伸缩杆241下端的转动曲轴242，以及向转动曲轴242提供动力的动力模块243。

采用上述模拟装置进行的潮汐及海洋环流模拟方法，包括以下步骤：

S1：放水

向圆形腔体10内部放入清水，直至水面至第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22下边沿；其中圆形腔体10内壁的直径为4m；

S2：洋流模拟单元工作

首先第二洋流模拟单元的循环泵39启动，通过第二进水口36、第二出水口37、循环管道38使得圆形腔体10内部的水流整体形成循环；然后第一洋流模拟单元负压组件345启动，使水流通过第一进水口340进入温度调节箱342进行温度调节，然后通过第一出水口341排出，模拟洋流；

S3：模拟潮汐

动力模块243驱动转动曲轴242转动，使得伸缩杆241在限位套管240上升降伸缩，控制第一陆地模拟块21、第二陆地模拟块22在水中升起落下，模拟退潮涨潮；

S4：实施调节

通过流动标记物的流动方向，第一进水口340、第一出水口341可在转动轨道320转动下改变位置，第二进水口36、第二出水口37可在圆环轨道35转动下改变位置，从而改变洋流流向，模拟多种洋流。

Claims (10)

1.一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，其特征在于，包括设置在水平地面上的支撑架（1），水平设置在所述支撑架（1）上且上端开口的圆形腔体（10），设置在所述圆形腔体（10）内部的陆架模拟块（2），设置在所述圆形腔体（10）内的海洋环流模拟装置（3）；

所述圆形腔体（10）内部放置有模拟海水的液体，所述液体内设置有流动标记物；

所述海洋环流模拟装置（3）包括设置在所述圆形腔体（10）内的用于模拟寒流、暖流的第一洋流模拟单元，设置在所述圆形腔体（10）侧边内壁上的第二洋流模拟单元；

所述第一洋流模拟单元包括垂直设置在所述圆形腔体（10）中心的中心转筒（31），两组活动设置在所述中心转筒（31）上的转动杆件（32），分别安装在所述两组转动杆件（32）上的寒流模拟结构（33）、暖流模拟结构（34）；

每组转动杆件（32）均包括两个旋转安装在中心转筒（31）上的转动轨道（320）；

所述寒流模拟结构（33）、暖流模拟结构（34）均包括分别滑动设置在所述转动轨道（320）上的第一进水口（340）、第一出水口（341），安装在圆形腔体（10）下方的温度调节箱（342），连通所述第一进水口（340）、温度调节箱（342）的进水管（343），连通所述第一出水口（341）、温度调节箱（342）的出水管（344），以及设置在温度调节箱（342）上的负压组件（345）；

所述第二洋流模拟单元包括安装在圆形腔体（10）内侧壁下端的圆环轨道（35），多组活动设置在所述圆环轨道（35）上的第二进水口（36）、第二出水口（37），多根分别连通所述第二进水口（36）、第二出水口（37）的循环管道（38），以及设置在所述循环管道（38）上的循环泵（39）；

所述陆架模拟块（2）包括设置在所述圆形腔体（10）底部的海底模拟板（20），设置在所述海底模拟板（20）上方的第一陆地模拟块（21），设置在所述海底模拟板（20）上方且位于圆形腔体（10）侧边区域的第二陆地模拟块（22），以及设置在第一陆地模拟块（21）、第二陆地模拟块（22）正下方的潮汐模拟结构（23）。

2.根据权利要求1所述的一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，其特征在于，所述潮汐模拟结构（23）包括设置在第一陆地模拟块（21）、第二陆地模拟块（22）正下方的气囊弹簧（230），与所述气囊弹簧（230）连通的充气装置（231），设置在所述气囊弹簧（230）上的放气阀（232）。

3.根据权利要求1所述的一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，其特征在于，所述第一陆地模拟块（21）、第二陆地模拟块（22）边缘设置有模拟大陆架的斜坡（220），所述斜坡（220）上设有潮汐标记刻线（221）。

4.根据权利要求1所述的一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，其特征在于，所述圆形腔体（10）上端还设有季风模拟单元（11）；

所述季风模拟单元（11）包括活动设置在所述圆形腔体（10）上端转动圆环（110），多个均匀安装在所述转动圆环（110）上的出风口（111），与所述出风口（111）连通的鼓风装置（112），设置在所述鼓风装置（112）、出风口（111）连接处的电磁阀门（113），以及用于向转动圆环（110）提供动力的动力模块（114）。

5.根据权利要求1所述的一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，其特征在于，所述中心转筒（31）包括垂直设置在圆形腔体（10）中心的安装轴（310），四个从上至下层叠设置在所述安装轴（310）上的伺服电机（311）；

所述伺服电机（311）内部中空与安装轴（310）过盈配合，外部与转动杆件（32）栓接。

6.根据权利要求1所述的一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，其特征在于，所述转动轨道（320）通过滚轴丝杠与第一进水口（340）、第一出水口（341）连接；所述滚轴丝杠包括与转动轨道（320）平行设置的丝杠本体（321），活动设置在所述丝杠本体（321）上且能够与第一进水口（340）、第一出水口（341）连接的移动块（322）。

7.根据权利要求1所述的一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，其特征在于，所述流动标记物采用彩色丝带或塑料悬浮物。

8.根据权利要求1所述的一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，其特征在于，所述潮汐模拟结构（23）包括垂直固定的限位套管（240），活动设置在所述限位套管（240）内且上端与第一陆地模拟块（21）、第二陆地模拟块（22）连接的伸缩杆（241），设置在所述伸缩杆（241）下端的转动曲轴（242），以及向所述转动曲轴（242）提供动力的动力模块（243）。

9.采用权利要求1~8任一所述模拟装置进行潮汐及海洋环流模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：放水

向圆形腔体（10）内部放入清水，直至水面至第一陆地模拟块（21）、第二陆地模拟块（22）下边沿；其中圆形腔体（10）内壁的直径为2~6m；

S2：洋流模拟单元工作

首先第二洋流模拟单元的循环泵（39）启动，通过第二进水口（36）、第二出水口（37）、循环管道（38）使得圆形腔体（10）内部的水流整体形成循环；然后第一洋流模拟单元负压组件（345）启动，使水流通过第一进水口（340）进入温度调节箱（342）进行温度调节，然后通过第一出水口（341）排出，模拟洋流；

S3：模拟潮汐

充气装置（231）工作，向气囊弹簧（230）中充气，使得第一陆地模拟块（21）、第二陆地模拟块（22）在水中升起，模拟退潮；放气阀（232）对气囊弹簧（230）泄压，使第一陆地模拟块（21）、第二陆地模拟块（22）在水中落下，模拟涨潮；

S4：实施调节

通过流动标记物的流动方向，第一进水口（340）、第一出水口（341）可在转动轨道（320）转动下改变位置，第二进水口（36）、第二出水口（37）可在圆环轨道（35）转动下改变位置，从而改变洋流流向，模拟多种洋流。

10.根据权利要求1所述的一种中小型潮汐及海洋环流模拟装置，其特征在于，所述第二进水口（36）、第二出水口（37）通过循环管道（38）连通。

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