CN204039967U - 一种河口咸潮盐淡水密度分层流的分层示踪粒子结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种河口咸潮盐淡水密度分层流的分层示踪粒子结构，其特征在于：包括由密度为0.993g/cm3的塑料制成的中空的球形壳体，球形壳体开有可往空腔填充密度为0.993g/cm3～1.06g/cm3的填充物的通孔，通孔与由密度为0.993g/cm3的塑料制成的堵头密封配合，空腔的直径为球形壳体直径的0.75倍，球形壳体的表面涂覆有相应颜色的颜料层。可形成不同密度的示踪粒子结构，并在不同密度的示踪粒子结构的球形壳体的表面涂覆不同颜色的颜料层加以区分，即可得到可在垂向分层水体中的不同密度水层内都均匀分布的示踪粒子结构，可直接观察、分析密度分层流的流体运动规律，适用性强，制作原料简单，操作方便。
Description
技术领域
本发明属于水利工程、海洋工程原型及模型测量领域，具体涉及一种河口咸潮盐淡水密度分层示踪方法中所采用的示踪粒子结构。
背景技术
河口咸潮（又称咸潮上溯、盐水入侵），是一种自然现象。当上游河流径流流量不足时，海水发生倒灌，咸淡水混合造成上游河道水体变咸，即形成咸潮。咸潮一般发生于冬季或干旱的季节，即每年十月至翌年三月之间出现在河海交汇处，例如长江河口、珠江河口、钱塘江河口等等。在珠江河口，每年的冬末春初，上游来水量减少，江河水位下降，受潮汐影响，海水沿河口上溯，造成内河水体含盐量升高变咸。咸潮来临时，对居民生活、工业生产以至农业灌溉都有相当大的影响。自来水会变得咸苦，难以饮用；长时期饮用氯化物含量多的水对人体健康危害较大。工业生产使用含盐分多的水会损害机器设备；农业生产上，使用咸水灌溉农田，会使农作物萎蔫甚至死亡。
河口咸潮的研究对象是淡水和海水混合区内的咸淡水混合物（其中，淡水的密度在0.993 g/cm3～0.997 g/cm3（随温度变化而略有不同）之间，盐水的密度在1.001 g/cm3～1.015 g/cm3（随盐度与温度变化而略有不同）之间）。在珠江河口和长江河口，这种咸淡水混合物在大部分时间内均具有密度分层流的特征，垂线方向上水体具有不同的密度。这种河口密度分层流较难被数学模型精确模拟。为了认识河口咸潮及咸淡水混合物，需将天然河口按照一定的比尺缩小，在实体模型中进行试验。在实体试验过程中，采用巧妙的流动显示方法对于观察分析流体运动至关重要，往往还是试验成功的关键。
流动显示方法是一种重要的流体力学实验方法，在流体力学的发展过程中起到了重要作用。该方法通过在流场中投放或产生随质点运动的颗粒、气泡等，观察记录其运动，作为分析流体运动特征的可视手段。传统的流动显示颗粒包括氢气泡、木屑、烟气、染料、浮子等。由于这些传统的示踪粒子本身的密度是相同的、均匀的，在垂向分层的水体中，只能向与粒子密度相同的某一层集中，不能在分层水体中的不同密度水层内都均匀分布。因此，对于河口咸淡水密度分层流，传统的示踪方法所采用的显示颗粒无法很好地反映出流场的分层特性，无法直接观察分析分层流的流体运动规律。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在河口咸潮盐淡水密度分析分层流方法中，直观显示出流体运动规律的分层示踪粒子结构。
本实用新型所述的一种河口咸潮盐淡水密度分层流的分层示踪粒子结构，其特征在于：包括由密度为0.993 g/cm3的塑料制成的中空的球形壳体，球形壳体开有可往空腔填充密度为0.993g/cm3～1.06 g/cm3的填充物的通孔，通孔与由密度为0.993 g/cm3的塑料制成的堵头密封配合，空腔的直径为球形壳体直径的0.75倍，球形壳体的表面涂覆有相应颜色的颜料层以区别不同的密度。
本实用新型结构由于将密度为0.993 g/cm3的塑料制成中空的球形壳体，可根据河口咸淡水密度分层流在垂线方向上水体密度的不同，在0.993g/cm3～1.06 g/cm3的填充物中选择不同的密度并填入球形壳体的空腔中，以形成不同密度的示踪粒子结构；同时，在不同密度的示踪粒子结构的球形壳体的表面涂覆不同颜色的颜料层加以区分不同的密度，即可得到可在垂向分层水体中的不同密度水层内都均匀分布示踪粒子结构，并且由于位于不同密度水层中的示踪粒子结构的表面颜色是不同的，因此，通过本实用新型的不同密度和颜色的示踪粒子直接观察、分析密度分层流的流体运动规律，适用性强，制作原料简单，操作方便。
附图说明
图1为本实用新型未填充填充物前的示意图。
图2是本实用新型填充了填充物后的示意图。
具体实施方式
所述的一种河口咸潮盐淡水密度分层流的分层示踪粒子结构，包括由密度为0.993 g/cm3的塑料（例如天然橡胶）制成的中空的球形壳体1，其不溶于水，球形壳体1开有可往空腔11填充密度为0.993g/cm3～1.06 g/cm3的填充物1的通孔3，通孔3与由密度为0.993 g/cm3的塑料制成的堵头4密封配合，空腔11的直径为球形壳体1直径的0.75倍，球形壳体1的表面根据采用的填充物重量的不同涂覆有相应颜色的颜料层（图中未表示），通过填充填充物2可制成密度为0.993g/cm3～1.015 g/cm3的示踪粒子，密度可在淡水密度最低值和盐水密度最大值之间，球形壳体1的表面根据采用的填充物重量的不同涂覆有相应颜色的颜料层，以便于将不同密度的示踪粒子区分开，即可得到可在垂向分层水体中的不同密度水层内都均匀分布，并且可直接观察分析分层流的流体运动规律的示踪粒子结构，可直接观察、分析密度分层流的流体运动规律，适用性强，制作原料简单，操作方便。
所述的填充物2为软泥，球形壳体1的直径为3mm～10mm，优选5mm。所述的通孔3的直径为1mm，堵头4与通孔3密封配合部分的直径为1.01mm。
本实用新型在实体模型中进行试验：
1、实验仪器
实验是在珠江水利委员会珠江河口防咸防潮大厅咸潮风浪流水槽中进行的。该水槽长76.0m，宽1.2m，高1.5m。水槽配有造波机，风机和循环水泵，能够研究风浪流作用下的咸潮运动。
实验水渠长22.0m，宽0.5m，高0.4m。水渠布置在水槽中部的平台上，用瓷砖将1.2m宽的水槽分割出0.5宽的一部分。水渠的两端均设有尾坎，其中左端坎高0.3m，厚0.12m。右端坎设置成潜坎的形式，高0.2m。中间的隔板用实木制成，高0.4m，距离左端坎4.3m。
2、形成分层盐水
（1）注入静水：将水槽内水位加至实验水深，将隔板合上，并用橡皮泥密封好；
（2）配置盐水：在左端河段加入精细工业盐，搅拌使其溶解，使盐度达到实验盐度。然后加入适量的高锰酸钾，使盐水呈紫红色。
（3）待水面稳定后，抽离隔板，观察并记录盐水楔的运动。隔板抽离后，盐水由于密度大，钻入淡水底部，头部以盐水楔的形式向前运动。
（4）盐水稳定后，形成了界面清晰的盐淡水分层状态。其中，密度较大的盐水（紫红色）位于下层，密度小的淡水位于上层。界面以下盐水高度约11.5cm，界面以上淡水高度约21.5cm。
3、制作中空球形壳体1
采用密度为0.993 g/cm3的塑料（如天然橡胶），制作成中空的球形壳体，该球形壳体开有通孔3，并且表面涂覆有相应一种颜色的颜料层，颜色可以是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，分别代表不同密度的示踪粒子，并且所代表的密度可依次由黄、橙、黄、绿、青、蓝、紫逐渐加大。
4、选择和添加示踪粒子的填充物重量
根据咸潮分层流试验的需要，通过密度计测量，并确定试验中分层流密度的上下限，确定分层的层数及粒子填充物重量。先配置好下限粒子密度，然后将不同重量的填充物加入不同颜色的中空粒子中，以便通过颜色区分盐度的大小。
5、投放示踪粒子
将配好的示踪粒子装入塑料瓶内，并在塑料瓶盖上连接一根粒径大于4mm的导管。在试验时将导管前端伸至水面以下，挤压塑料瓶的同时均匀摆动导管，就会将连续的粒子排入试验水体中。
6、分析示踪粒子的分层情况：进入水中后，密度较大的粒子会下沉至盐水层内，甚至水槽底，密度较小的示踪粒子则多数停留在盐淡水的交界面上，少数能悬浮在淡水层内。根据不同密度和颜色的示踪粒子对应的分层及运动情况分析确定盐度的分层情况。
Claims (5)
1.一种河口咸潮盐淡水密度分层流的分层示踪粒子结构，其特征在于：包括由密度为0.993 g/cm3的塑料制成的中空的球形壳体，球形壳体开有可往空腔填充密度为0.993g/cm3～1.06 g/cm3的填充物的通孔，通孔与由密度为0.993 g/cm3的塑料制成的堵头密封配合，空腔的直径为球形壳体直径的0.75倍，球形壳体的表面涂覆有相应颜色的颜料层以区别不同的密度。
2.根据权利要求1所述的河口咸潮盐淡水密度分层流的分层示踪粒子结构，其特征在于：所述的塑料为天然橡胶。
3.根据权利要求1所述的河口咸潮盐淡水密度分层流的分层示踪粒子结构，其特征在于：所述的填充物为软泥。
4.根据权利要求1所述的河口咸潮盐淡水密度分层流的分层示踪粒子结构，其特征在于：球形壳体的直径为3mm～10mm。
5.根据权利要求4所述的河口咸潮盐淡水密度分层流的分层示踪粒子结构，其特征在于：所述的通孔的直径为1mm，堵头与通孔密封配合部分的直径为1.01mm。
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