CN114563160B - 减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测装置及方法。本发明装置包括旋转水槽部分、循环水体管路部分和辅助监测装置部分。所述的旋转水槽部分包括亚克力透明水槽、剪力环、剪力环转速控制摇臂、可旋转底座、摇臂控制变频器、可旋转底座控制变频器、中心可升降金属杆、底座支撑架、桨叶等部分。本发明装置结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低；能实现实验室尺度下浊流高速、强湍流流态的物理建模，同时控制流态的精准转换。高速转动的环形水槽可悬浮大粒径泥沙颗粒，并可研究粘性颗粒且不破坏其絮凝能力；反向旋转环形水槽底部可最大限度减少由离心效应引起的二次流结构，并可将槽底剪切应力的变化降至最低。
Description
技术领域
本发明涉及泥沙动力学物理模型领域，具体涉及减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测装置及方法。
背景技术
浊流（挟沙水流）广泛发育于河口、深海等环境中，其是远距离搬运大体积碎屑沉积物、输移营养物质和污染物的重要物理过程，极易形成油气资源储集层，同时也会极大地影响深海海盆的生态环境；另外，作为一种海洋地质灾害，浊流会对油气开采平台、海底通信电缆等造成直接威胁。明晰其水动力过程的关键是量化近床沉积边界层的冲淤过程，特别是其垂向沉积层理与模式。
野外观测充满偶然性且耗费人力物力，实验室尺度的物理模型研究将成为主要的替代方法。为探明浊流沉积边界层区域的泥沙颗粒支撑机制与分离过程，相关研究工作者多采用直道水槽模拟浊流，虽可考虑多种入流方式（如开闸式和连续入流式）来对浊流进行整体物理建模，以评估垂向速度湍流剖面改变的影响，但其难以形成更符合实际的高速、持续、准湍流的浊流流态。换言之，直槽中传播的浊流在扩散前期就沉积大量泥沙，这与野外监测到的大尺度浊流长距离输移现象相悖；现有的物模实验很难实现浊流从准稳流态向减速流态的精准转变，因此所得结果多不具备代表性；此外，浊流在直槽下流动多通过管泵系统实现，也就是说流场系统强依赖于循环硬件的物理参数，很难模拟真正的浊流流体特性。
基于此背景，为实现实验室尺度下浊流高速、强湍流流态的物理建模，同时控制流态的精准转换，本专利提出了关于减速浊流中悬移质泥沙沉积结构的观测装置及方法，以旋转循环水槽模拟更符合真实自然环境下的浊流传播，探明沉积边界层的形成机理，以期更好的理解浊流的水动力过程；同时为相应的浊流数值模型开发提供数据支持。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测装置及方法。
本发明的一方面提供了一种减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测装置。包括旋转水槽部分、循环水体管路部分和辅助监测装置部分。
所述的旋转水槽部分包括亚克力透明水槽、剪力环、剪力环转速控制摇臂、可旋转底座、摇臂控制变频器、可旋转底座控制变频器、中心可升降金属杆、底座支撑架、桨叶等部分。
所述的透明水槽安放于底座支撑架上，所述的中心可升降金属杆连接剪力环转速控制摇臂以控制剪力环升降，所述的剪力环转速控制摇臂连接装有桨叶的剪力环以旋转剪力环，所述剪力环位于所述透明水槽内，所述的摇臂控制变频器与可旋转底座控制变频器分别控制剪力环和可旋转底座以反方向旋转。
所述的循环水体管路部分包括入流管道、调节阀门、供水箱、虹吸管、储水槽、水槽底排水孔。
所述的调节阀门安装于入流管道上；所述的入流管道连接供水箱与亚克力透明水槽；所述的水槽底排水孔位于水槽底部与入流管道连接；所述的虹吸管用于将水槽内水体排至储水槽。
所述的辅助监测装置部分包括CCD相机、激光发射器、地形扫描仪电脑控制端、采样烧杯，粒度分析仪。
所述的CCD相机置于透明水槽内外两侧，录下整个泥沙动态沉降过程；所述的激光发射器位于水槽顶部，发射激光以获取沉积形态，通过所述地形扫描仪电脑控制端可视化沉积结构的表面形态；所述的采样烧杯置于水槽底部以获取沉积边界层层理结构。所述的粒度分析仪通过采样烧杯内泥沙样品获取泥沙粒度级配，进行样品后处理。
本发明的另一方面提供了减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测方法。
在透明水槽中，预先放置符合实验所需颗粒级配的泥沙，开启调节阀门，将循环水体从供水箱中泵出，直至透明水槽中达到预定水位。调节中心可升降金属杆，将剪力环下放，直至与水槽中水体上表面之间无空气间隙。断开入流管道与亚克力透明水槽的连接，放置固定好CCD相机。
调节摇臂控制变频器及水槽底座控制变频器，以控制剪力环及底座旋转速度，剪力环以顺时针方向旋转，而底座则以相反方向即逆时针方向旋转；通过剪力环带动水体上表面旋转，将角动量逐渐传至下层水体，当转速趋于稳定，预先加入的泥沙颗粒物起动并处于紊流悬浮状态，同时沿水深自由扩散。
待剪力环及可旋转底座达到设定最大速度后，随后调节摇臂控制变频器及水槽底座控制变频器，保持两者速度比恒定以减少附加剪切力，逐渐降低两者转速，水槽内水体实现从高度准稳流态向减速流态的精准转变。此时泥沙颗粒由于水体湍流强度降低而逐渐沉降堆积。CCD相机记录下整个泥沙动态沉降过程，以分析不同减速速率及静止状态的浊流沉积结构及垂直级配模式。
水槽运作停止后，保证挟悬沙水体静置足够时间，以使得所有泥沙颗粒实现沉降。待静置完成，将虹吸管末端插入采样烧杯底部，在不破坏浊流沉积结构的同时，利用虹吸作用将烧杯内水排至储水箱；与此同时，打开水槽底部排水孔，排尽水槽内水体，使得泥沙沉积体自然固结。
打开激光发射器，在地形扫描仪电脑控制端输出沉积结构的表面形态。待烧杯内沉积物在室温下完全干燥，采用粒度分析仪进行泥沙粒度分析，最终明晰沉积边界层的垂向层理结构。
本发明的有益效果：
1、本发明装置结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低。
2、实现实验室尺度下浊流高速、强湍流流态的物理建模，同时控制流态的精准转换。
3、高速转动的环形水槽可悬浮大粒径泥沙颗粒，并可研究粘性颗粒且不破坏其絮凝能力。
4、环形水槽可形成长距离输移浊流，在其运动过程中能够改造已有沉积结构，形成与自然系统更为相似的底床。
5、 反向旋转环形水槽底部可最大限度减少由离心效应引起的二次流结构，并可将槽底剪切应力的变化降至最低。
附图说明
图1是本发明的装置主视示意图；
图2是本发明的装置主体部分俯视示意图；
图中：1.剪力环，2.剪力环转速控制摇臂，3.亚克力透明水槽，4.可旋转底座，5.摇臂控制变频器，6.入流管道，7.可旋转底座控制变频器，8.CCD相机，9.虹吸管，10.中心可升降金属杆，11.调节阀门，12.底座支撑架，13.可变频离心水泵，14.供水箱，15.桨叶，16. 激光发射器，17. 地形扫描仪电脑控制端，18. 储水槽，19. 水槽底排水孔，20. 采样烧杯，21.粒度分析仪，22.滤网，23.出流管。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明装置的实施例分为旋转水槽部分、循环水体管路部分、辅助监测装置部分。
所述的旋转水槽部分包括亚克力透明水槽3、剪力环1、剪力环转速控制摇臂2、可旋转底座4、摇臂控制变频器5、可旋转底座控制变频器7、中心可升降金属杆10、底座支撑架12、桨叶15等部分。所述的亚克力透明水槽安放于底座支撑架上，呈环形；所述的中心可升降金属杆连接剪力环转速控制摇臂；所述的剪力环转速控制摇臂连接装有桨叶的剪力环；所述的摇臂控制变频器与可旋转底座控制变频器分别控制剪力环和可旋转底座以反方向旋转。
所述的循环水体管路部分包括入流管道6、调节阀门11、供水箱14、虹吸管9、储水槽18、水槽底排水孔19。所述的调节阀门安装于入流管道上；所述的入流管道连接供水箱与亚克力透明水槽；所述的虹吸管可将水槽内水体排至储水槽。
所述的辅助监测装置部分包括CCD相机8、激光发射器16、地形扫描仪电脑控制端17、采样烧杯20，粒度分析仪21。所述的CCD相机录下整个泥沙动态沉降过程；所述的激光发射器、地形扫描仪电脑控制端获取沉积结构的表面形态；所述的采样烧杯，粒度分析仪获取泥沙粒度及沉积边界层的垂向层理结构。
本发明方法实施例具体如下：
透明亚克力水槽中，预先放置符合实验所需颗粒级配的泥沙；为实现浊流沉积层明显的垂向层理结构，需要保证泥沙颗粒级配尽量广。在水槽底固定一采样烧杯。开启调节阀门，可变频离心水泵13将循环水体从供水箱中泵出，直至亚克力透明水槽中达到预定水位。调节中心可升降金属杆，将剪力环下放，直至与水槽中水体上表面之间无空气间隙。剪力环底部共连接六个矩形桨叶，桨叶垂直伸入水中，此处保证桨叶尺寸能有效带动水体转动但不会显著影响流场结构。断开入流管道与亚克力透明水槽的连接，放置固定好CCD相机，实验准备结束。
调节摇臂控制变频器及水槽底座控制变频器，以控制剪力环及底座旋转速度，剪力环以顺时针方向旋转，而底座则以相反方向即逆时针方向旋转，反向旋转环形水槽底部可最大限度减少由离心效应引起的二次流结构，并可将槽底剪切应力的变化降至最低。通过剪力环带动水体上表面旋转，将角动量逐渐传至下层水体，当转速趋于稳定，预先加入的泥沙颗粒物起动并处于紊流悬浮状态，同时沿水深自由扩散。待剪力环及环形水槽底座达到设定最大速度后，随后调节摇臂控制变频器及水槽底座控制变频器，保持两者速度比恒定以减少附加剪切力，逐渐降低两者转速，水槽内水体实现从高度准稳流态向减速流态的精准转变。此时泥沙颗粒由于水体湍流强度降低而逐渐沉降堆积。CCD相机记录下整个泥沙动态沉降过程，以分析不同减速速率及静止状态的浊流沉积结构及垂直级配模式。
水槽运作停止后，保证挟悬沙水体静置足够时间，以使得所有泥沙颗粒实现沉降。待静置完成，将虹吸管末端插入采样烧杯底部，在不破坏浊流沉积结构的同时，利用虹吸作用将烧杯内水排至储水箱；与此同时，打开水槽底部排水孔，排尽水槽内水体，水体经滤网22后由出流管23回流至储水箱，使得泥沙沉积体自然固结。打开激光发射器，在地形扫描仪电脑控制端输出沉积结构的表面形态。待烧杯内沉积物在室温下完全干燥，采用粒度分析仪进行泥沙粒度分析，最终明晰沉积边界层的垂向层理结构。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“竖直”、“底部”、“内”、“侧”、“垂直”、“上”、“下”、“上端”、“下”、“后方”、“高度”、“前”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、 “连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
本发明在进行以上所述仅为发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测方法，所使用的观测装置，包括旋转水槽部分、循环水体管路部分和辅助监测装置部分；
所述的旋转水槽部分包括透明水槽、剪力环、剪力环转速控制摇臂、可旋转底座、摇臂控制变频器、可旋转底座控制变频器、中心可升降金属杆、底座支撑架和桨叶；
所述的透明水槽安放于底座支撑架上，所述的中心可升降金属杆连接剪力环转速控制摇臂以控制剪力环升降，所述的剪力环转速控制摇臂连接装有桨叶的剪力环以旋转剪力环，所述剪力环位于所述透明水槽内，所述的摇臂控制变频器与可旋转底座控制变频器分别控制剪力环和可旋转底座以反方向旋转；
所述的循环水体管路部分包括入流管道、调节阀门、供水箱、虹吸管、储水槽和水槽底排水孔；
所述的调节阀门安装于入流管道上，所述的入流管道可拆卸地连接于供水箱与透明水槽之间；所述的水槽底排水孔位于透明水槽底部；所述的虹吸管能够将透明水槽内水体排至储水槽；
所述的辅助监测装置部分包括CCD相机、激光发射器、地形扫描仪电脑控制端、采样烧杯和粒度分析仪；
所述的CCD相机置于透明水槽内外两侧，录下整个泥沙动态沉降过程；所述的激光发射器位于水槽顶部，发射激光以获取沉积形态，通过所述地形扫描仪电脑控制端可视化沉积结构的表面形态；所述的采样烧杯置于水槽底部以获取沉积边界层层理结构；所述的粒度分析仪通过采样烧杯内泥沙样品获取泥沙粒度级配；
其特征在于：
在透明水槽中，预先放置符合实验所需颗粒级配的泥沙，开启调节阀门，将循环水体从供水箱中泵出，直至透明水槽中达到预定水位；调节中心可升降金属杆，将剪力环下放，直至与水槽中水体上表面之间无空气间隙；断开入流管道与亚克力透明水槽的连接，放置固定好CCD相机；
调节摇臂控制变频器及水槽底座控制变频器，以控制剪力环及底座旋转速度，剪力环以顺时针方向旋转，而底座则以相反方向即逆时针方向旋转；通过剪力环带动水体上表面旋转，将角动量逐渐传至下层水体，当转速趋于稳定，预先加入的泥沙颗粒物起动并处于紊流悬浮状态，同时沿水深自由扩散；
待剪力环及可旋转底座达到设定最大速度后，随后调节摇臂控制变频器及水槽底座控制变频器，保持两者速度比恒定以减少附加剪切力，逐渐降低两者转速，水槽内水体实现从高度准稳流态向减速流态的精准转变；此时泥沙颗粒由于水体湍流强度降低而逐渐沉降堆积；CCD相机记录下整个泥沙动态沉降过程，以分析不同减速速率及静止状态的浊流沉积结构及垂直级配模式；
水槽运作停止后，保证挟悬沙水体静置足够时间，以使得所有泥沙颗粒实现沉降；待静置完成，将虹吸管末端插入采样烧杯底部，在不破坏浊流沉积结构的同时，利用虹吸作用将烧杯内水排至储水箱；与此同时，打开水槽底部排水孔，排尽水槽内水体，使得泥沙沉积体自然固结；
打开激光发射器，在地形扫描仪电脑控制端输出沉积结构的表面形态；待烧杯内沉积物在室温下完全干燥，采用粒度分析仪进行泥沙粒度分析，最终明晰沉积边界层的垂向层理结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述透明水槽与供水箱之间配置有可变频离心水泵。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的水槽底排水孔与入流管道连接。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：水槽底排水孔与入流管道之间装有滤网。
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