CN113945360A - 一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统 - Google Patents

一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及船舶与海洋工程领域，特别涉及一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，包括密度分层系统、大型重力式密度分层水槽、双推板联动造波装置、内孤立波特征参数测量单元、消波装置。采用内孤立波特征参数测量单元对分层流体密度扰动信号进行同步测量，通过PC端同步采集并处理后，得到相应参数。再根据两排电导率探头组的间距以及内孤立波波谷经过两排电导率探头组的时间间隔，确定内孤立波相速度。本发明的优点是：该实验系统可针对内孤立波的生成实现主动控制；可模拟任意海水层化状态以及任意振幅内孤立波的生成过程、传播过程及消亡过程，操作便捷，可行性高；可为海洋内孤立波的机理性研究提供新的方法。

Description

一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程领域，特别涉及一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统。
背景技术
内孤立波是海洋中一类重要且频繁发生的海洋现象，其在生成、传播及消衰过程中所引起的能量交换对海洋动力学过程有着决定性影响。同时，内孤立波在传播过程中所引起的巨大能量，会对海洋工程等结构物或水下航行设备造成重大危害，已成为海洋工程设计中必须考虑的一个环境因素。为预防和解决其可能造成的危害，迫切需要将强对内孤立波这类特殊的海洋现象进行机理性研究。内孤立波的出现极具随机性，导致现场同步观测方式的高花费和不可能性，实验研究便成为重要且唯一的研究方法。
目前，针对内孤立波的研究大多还停留在生成阶段，即针对小型分层流水槽，并不能完全模拟内孤立波的传播以及消亡过程。并且，大多都局限于密度跃层不能变化和固定水深的情况。
发明内容
本发明的目的在于针对海洋内孤立波，提供一种科学研究其生成、传播及消亡过程的实验系统。该实验系统可生成和传播任意层化状态、任意振幅的内孤立波。从而为实海域内孤立波的预测和研究提供可靠的理论依据及技术保障。
为了解决上述背景技术中存在的问题本发明采用以下方案实现：一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，包括密度分层系统、大型重力式密度分层水槽、双推板联动造波装置、内孤立波特征参数测量单元、消波装置；大型重力式密度分层水槽的左端部分为用于内波试验的内波水槽，大型重力式密度分层水槽内设置有双推板联动造波装置、内孤立波特征参数测量单元、消波装置。
所述密度分层系统可实现不同分层比、不同密度比的层化流体系统，以模拟实际海域海洋层化状态；所述层化流体系统由搅拌泵、注流泵、注水泵、两个连通的搅拌池、内波水槽及两套管路构成；所述搅拌池中配置好所需密度ρ2的盐水；两个所述搅拌池通过连通器相连通，每个所述搅拌池内均设置有搅拌泵，其中一套所述管路连接注水泵，将密度为ρ1的淡水注入内波水槽；另一套所述管路连接搅拌池和内波水槽，另一套所述管路的中部设置有与其相连通的注流泵。
作为本发明的一种优选技术方案，所述大型重力式密度分层水槽的右端部分为钢筋混凝土段，所述用于布置所述双推板联动造波装置。
作为本发明的一种优选技术方案，所述大型重力式密度分层水槽尺寸为长30米x宽0.6米x高1.2米，大型重力式密度分层水槽的钢筋混凝土段长6米。
作为本发明的一种优选技术方案，所述内波水槽主体为钢架结构，内波水槽的侧壁及底部为高透明玻璃。
作为本发明的一种优选技术方案，所述内孤立波特征参数测量单元包括两排沿内波水槽侧壁竖直插放的电导率探头组；两排电导率探头组左右布置，每排电导率探头组上均设置有沿其竖直方向均匀排布的电导率探头。
作为本发明的一种优选技术方案，其中一排所述电导率探头组位于大型重力式密度分层水槽右端11m，另一排电导率探头组位于大型重力式密度分层水槽右端12.9m，每排电导率探头组包含11个电导率探头，电导率探头竖直间距3cm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述消波装置置于所述大型重力式密度分层水槽左端；消波装置包括呈楔形的消波板。
作为本发明的一种优选技术方案，所述的消波板的数量为二，两个消波板呈楔形排布，两个消波板的相对端通过销轴相连接，销轴安装有弹性伸缩板，弹性伸缩板的伸缩端安装有定位板，定位板的对应消波板的侧面上下两端均设置有联动杆，定位板安装在内波水槽内。
作为本发明的一种优选技术方案，所述联动杆通过铰链安装在定位板与消波板之间，联动杆为伸缩调节结构。
作为本发明的一种优选技术方案，所述定位板远离消波板的侧面设置有T型凹槽，内波水槽的左侧内壁设置有与T型凹槽相滑动配合的T型滑块，T型凹槽的侧壁设置有螺纹孔，螺纹孔贯穿定位板的右端，螺纹孔内通过螺纹配合的方式设置有卡位螺栓，定位板远离消波板的侧面中部设置有吸盘。
本发明的有益效果在于：
一、本实验系统可针对内孤立波的生成实现主动控制；本实验系统可模拟任意海水层化状态、任意振幅的内孤立波生成、传播过程以及消亡过程，操作便捷，可行性高；进而为海洋内孤立波的机理性研究提供新的方法；本实验系统可模拟内孤立波生成、传播及消亡的完整过程，可有效促进对海洋内孤立波的研究，具有重要的工程意义和实用价值。
二、本实验系统通过消波装置上的消波板在进行向内转动，使得两个消波板之间的夹角变小，从而进一步增加消波板的消波效果，通过联动杆的长度调节能够对消波板的初始角度进行调节，以便本发明适用于不同波高的试验。
附图说明
下面接合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统的示意图。
图2是本发明一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统中大型重力式密度分层水槽与消波装置之间的结构示意图。
图3是本发明一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统中消波装置的结构示意图。
图4是本发明一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统中消波装置的部分剖视图。
图中：1、大型重力式密度分层水槽；2、注水泵；3、双推板联动造波装置；4、内孤立波特征参数测量单元；5、消波装置；51、消波板；52、销轴；53、弹性伸缩板；54、定位板；55、联动杆；56、卡位螺栓；57、吸盘；6、管路；7、注流泵；8、搅拌池；9、搅拌泵；10、连通器；11、阀门。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面接合具体图示，进一步阐述本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互接合。
参阅图1，一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，包括密度分层系统、大型重力式密度分层水槽1、双推板联动造波装置3、内孤立波特征参数测量单元4、消波装置5；大型重力式密度分层水槽1的左端部分为用于内波试验的内波水槽，大型重力式密度分层水槽1内设置有双推板联动造波装置3、内孤立波特征参数测量单元4、消波装置5。
所述密度分层系统可实现不同分层比、不同密度比的层化流体系统，以模拟实际海域海洋层化状态；所述层化流体系统由搅拌泵9、注流泵7、注水泵2、两个连通的搅拌池8、内波水槽及两套管路6构成；所述搅拌池8中配置好所需密度ρ2的盐水，其密度可根据实际海洋中下层海水的密度确定，通过搅拌泵9使其充分融合；两个所述搅拌池8通过连通器10相连通，每个所述搅拌池8内均设置有搅拌泵9，其中一套所述管路6连接注水泵2，将密度为ρ1的淡水注入内波水槽至所需深度h1作为上层流体，静置10min保证水体稳定；另一套所述管路6连接搅拌池8和内波水槽，另一套所述管路6的中部设置有与其相连通的注流泵7，且该管路6流量通过阀门11调节；注流泵7能够将密度为ρ2的盐水在水槽1底部缓慢铺开，直至所需深度h2作为下层流体，从而实现两层流体结构代替海水层化条件，在实验开始时，双推板联动造波装置3上的两块与上下层流体深度h1和h2分别等高的双推板同时、反向以各自的速度u1和u2运动，从而在分层流体界面产生稳定传播的内孤立波。
所述大型重力式密度分层水槽1尺寸为长30米x宽0.6米x高1.2米，所述大型重力式密度分层水槽1的右端部分为长6米的钢筋混凝土段，钢筋混凝土段用于布置所述双推板联动造波装置3；所述内波水槽主体为钢架结构，内波水槽的侧壁及底部为高透明玻璃，以便在任意位置观测内孤立波的生成、传播及消亡过程特征。同时，还可采用高清数码相机或CCD记录现象。
所述内孤立波特征参数测量单元4包括两排沿内波水槽侧壁竖直插放的电导率探头组；其中一排所述电导率探头组位于大型重力式密度分层水槽1右端11m，另一排电导率探头组位于大型重力式密度分层水槽1右端12.9m，每排电导率探头组包含11个电导率探头，电导率探头竖直间距3cm。通过PC端同步采集并处理后，得到分层界面处的波形和振幅等参数。再根据两排电导率探头组的间距以及内孤立波波谷经过两排电导率探头组的时间间隔，确定内孤立波相速度。
所述消波装置5置于所述大型重力式密度分层水槽1左端；消波装置5包括呈楔形的消波板51，当内孤立波传播到楔形结构的消波装置5后，由于消波装置5楔形的斜坡作用，会使波浪产生破碎，从而达到消波的目的。
参阅图2-图4，所述的消波板51的数量为二，两个消波板51呈楔形排布，两个消波板51的相对端通过销轴52相连接，销轴52安装有弹性伸缩板53，弹性伸缩板53的伸缩端安装有定位板54，定位板54的对应消波板51的侧面上下两端均设置有联动杆55，所述联动杆55通过铰链安装在定位板54与消波板51之间，联动杆55为伸缩调节结构，定位板54安装在内波水槽内，当内孤立波传递到消波板51上时会推动弹性伸缩板53发生收缩，消波板51在联动杆55的作用下能够发生转动，使得两个消波板51之间的夹角变小，从而进一步增加消波板51的消波效果，通过联动杆55的长度调节能够对消波板51的初始角度进行调节，以便本发明适用于不同波高的试验。
参阅图3-图4，所述定位板54远离消波板51的侧面设置有T型凹槽，内波水槽的左侧钢架结构上设置有与T型凹槽相滑动配合的T型滑块，T型凹槽的侧壁设置有螺纹孔，螺纹孔贯穿定位板54的右端，螺纹孔内通过螺纹配合的方式设置有卡位螺栓56，定位板54远离消波板51的侧面中部设置有吸盘57，消波装置5通过定位板54安装在内波水槽内，当定位板54的T型凹槽划入到T型滑块后，此时下侧的消波板51位于内波水槽的底部，通过人工拧动卡位螺栓56能够使其抵紧T型滑块，通过吸盘57吸附在内波水槽的高透明玻璃能够进一步增加消波装置5的稳定性。
本发明进行内孤立波生成及传播过程实验步骤如下：
第一步：实验开始前，通过注水泵2在内波水槽中注入所需深度h1的淡水，作为上层流体，静置10min保证水体稳定；在搅拌池8中配备好所需密度为ρ2的盐水，并通过搅拌泵9使其充分融合。再通过管路6和注流泵7将搅拌池8中的盐水缓慢注入内波水槽中，直至所需深度h2。
第二步：通过双推板联动造波装置3在分层系统界面产生稳定传播的内孤立波，通过内孤立波特征参数测量单元4对密度扰动信号进行测量，通过PC端同步采集并处理后，得到分层界面处的波形和振幅等参数。
第三步：在内孤立波传播过程中，可采用高清数码相机或CCD记录现象。
第四步：实验结束后，可通过消波装置5对生成的内孤立波进行消除，以最大程度避免反射波的影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，其特征在于，包括密度分层系统、大型重力式密度分层水槽(1)、双推板联动造波装置(3)、内孤立波特征参数测量单元(4)、消波装置(5)；大型重力式密度分层水槽(1)的左端部分为用于内波试验的内波水槽，大型重力式密度分层水槽(1)内设置有双推板联动造波装置(3)、内孤立波特征参数测量单元(4)、消波装置(5)；
所述密度分层系统可实现不同分层比、不同密度比的层化流体系统，以模拟实际海域海洋层化状态；所述层化流体系统由搅拌泵(9)、注流泵(7)、注水泵(2)、两个连通的搅拌池(8)、内波水槽及两套管路(6)构成；所述搅拌池(8)中配置好所需密度ρ2的盐水；两个所述搅拌池(8)通过连通器(10)相连通，每个所述搅拌池(8)内均设置有搅拌泵(9)，其中一套所述管路(6)连接注水泵(2)，将密度为ρ1的淡水注入内波水槽；另一套所述管路(6)连接搅拌池(8)和内波水槽，另一套所述管路(6)的中部设置有与其相连通的注流泵(7)；注流泵(7)能够将密度为ρ2的盐水在水槽1底部缓慢铺开。
2.根据权利要求1所述的一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，其特征在于：所述大型重力式密度分层水槽(1)的右端部分为钢筋混凝土段，所述用于布置所述双推板联动造波装置(3)。
3.根据权利要求2所述的一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，其特征在于：所述大型重力式密度分层水槽(1)尺寸为长30米x宽0.6米x高1.2米，大型重力式密度分层水槽(1)的钢筋混凝土段长6米。
4.根据权利要求2所述的一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，其特征在于：所述内波水槽主体为钢架结构，内波水槽的侧壁及底部为高透明玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，其特征在于：所述内孤立波特征参数测量单元(4)包括两排沿内波水槽侧壁竖直插放的电导率探头组；两排电导率探头组左右布置，每排电导率探头组上均设置有沿其竖直方向均匀排布的电导率探头。
6.根据权利要求5所述的一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，其特征在于：其中一排所述电导率探头组位于大型重力式密度分层水槽(1)右端11m，另一排电导率探头组位于大型重力式密度分层水槽(1)右端12.9m，每排电导率探头组包含11个电导率探头，电导率探头竖直间距3cm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，其特征在于：所述消波装置(5)置于所述大型重力式密度分层水槽(1)左端；消波装置(5)包括呈楔形的消波板(51)。
8.根据权利要求7所述的一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，其特征在于：所述的消波板(51)的数量为二，两个消波板(51)呈楔形排布，两个消波板(51)的相对端通过销轴(52)相连接，销轴(52)安装有弹性伸缩板(53)，弹性伸缩板(53)的伸缩端安装有定位板(54)，定位板(54)的对应消波板(51)的侧面上下两端均设置有联动杆(55)，定位板(54)安装在内波水槽内。
9.根据权利要求8所述的一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，其特征在于：所述联动杆(55)通过铰链安装在定位板(54)与消波板(51)之间，联动杆(55)为伸缩调节结构。
10.根据权利要求8所述的一种任意振幅内孤立波生成及传播过程实验系统，其特征在于：所述定位板(54)远离消波板(51)的侧面设置有T型凹槽，内波水槽的左侧内壁设置有与T型凹槽相滑动配合的T型滑块，T型凹槽的侧壁设置有螺纹孔，螺纹孔贯穿定位板(54)的右端，螺纹孔内通过螺纹配合的方式设置有卡位螺栓(56)，定位板(54)远离消波板(51)的侧面中部设置有吸盘(57)。
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