CN206021698U - 一种海水中气泡动力学特征模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海水中气泡动力学特征模拟装置，包括实验水槽、气泡生成模块、造风模块、造流模块、温控模块和海水检测模块；气泡生成模块包括储气瓶、气泡流量控制阀、进风格栅和进风口，用于控制气泡尺寸和气泡通量；造风模块包括风扇，用于控制风速和风向；造流模块包括内槽、进水口和导流鳍，温控模块包括加热管和制冷管，海水检测模块包括多个传感器。所述海水中气泡动力学特征模拟装置针对海洋环境的风、浪、流等水质参数，通过对气泡生成模块、造风模块、造流模块等的系统模块化设计，在实验室条件下模拟出海洋环境中多种风、浪、流组合环境，并通过对气泡初始尺寸、气泡初始流速和气泡通量的控制来研究海水中气泡的动力学特征。

Description

一种海水中气泡动力学特征模拟装置

技术领域

本实用新型涉及气泡动力学分析装置，具体来说涉及一种海水中气泡动力学特征模拟装置。

背景技术

在海洋环境中，当气体由于渗漏或喷射等作用连续地被释放进液体时，由于气体与周围液体中压力产生浮力，以及气—液交界面处表面张力之间的不平衡等因素，气流破碎成气泡，在其作用下，气泡上升并带动液体形成主要是向上的流动，称为气泡羽流。气泡羽流与海下石油及天然气井爆喷所造成的污染控制、湖泊中水生物的增氧技术、气泡防波堤的设计等问题的密切关系，近几年使得它已成为流体力学中的一个重要课题，日益受到人们的注意。

海水中气泡初始尺寸变化、上升速度变化以及上升轨迹随风、浪、流等水质参数的变化等动力学特征最为直观的获取方法是现场的声学探测，但是毫无疑问现场探测的方式成本很高，并且现场探测受限于时间和空间条件，更多的是获得在特定环境条件下的数据，在规律性研究方面存在一定的不足。因此，如果能在实验室条件下建立一套模拟实验装置，真实的还原海水背景环境，对于气泡在海水中规律性的动力学特征的研究具有重要的意义。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种海水中气泡动力学特征模拟装置，在实验室条件下模拟海水环境，研究海水中气泡动力学特征。

为此，本实用新型提供了一种海水中气泡动力学特征模拟装置，包括实验水槽和造流模块，所述实验水槽包括外槽和内槽，所述外槽和所述内槽组成一个环形循环水道，所述造流模块包括多个进水口和多个导流鳍，所述多个进水口设在所述外槽上，所述多个导流鳍的一端与所述内槽可转动连接，另一端延伸至所述外槽，所述多个导流鳍上设有多个通水孔，所述多个通水孔的面积由下而上依次减小。

如上所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，所述外槽包括两个相对、错开分布的U型水槽，以及连接所述两个U型水槽的两个弯曲连接段，所述两个弯曲连接段将所述环形循环水道分为依次连通的第一宽水道、第一窄水道、第二宽水道和第二窄水道。

如上所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，所述两个U型水槽相同，所述两个弯曲连接段相同，所述两个U型水槽相对错开分布的距离为一个所述弯曲连接段的距离。

如上所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，所述内槽为跑道形，设在所述外槽内部中间位置；所述第一宽水道和所述第二宽水道的宽度相等，所述第一窄水道和所述第二窄水道的宽度相等。

如上所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，所述多个导流鳍的高度低于所述环形循环水道的高度，并高于所述环形循环水道内部水面的高度；所述导流鳍的数量为6个，等间隔分布在所述内槽和所述外槽之间。

如上所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，所述多个进水口由下而上排列在所述外槽的所述两个弯曲连接段上，所述多个进水口连接有进水管道和进水流量控制阀。

如上所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，所述模拟装置还包括造风模块，所述造风模块包括设在所述实验水槽上方的多个风扇，所述风扇的角度可以调节；所述模拟装置还包括温控模块，所述温控模块包括设在环形循环水道底部的多个加热管和多个制冷管，用于调节海水温度；所述模拟装置还包括安装板和海水检测模块，所述安装板设在任一个所述U型水槽的弯曲段上方，所述海水检测模块设在所述安装板上方，所述海水检测模块包括温度传感器，pH值传感器，溶解氧传感器和盐度传感器等多个传感器，用于检测海水的水质参数。

如上所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，所述模拟装置还包括气泡生成模块，所述气泡生成模块设在所述实验水槽的下方，包括储气瓶、气泡流量控制阀、进风格栅和进风口，所述进风口设在所述环形循环水道的底部，所述进风口与所述进风格栅连接，所述进风格栅与所述气泡流量控制阀和所述储气瓶连接。

如上所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，所述造流模块、所述造风模块、所述温控模块、所述海水检测模块和所述气泡生成模块的控制端口均和中央控制模块的控制端口相连，所述中央控制模块用于集中控制所述造流模块、所述造风模块、所述温控模块、所述海水检测模块和所述气泡生成模块。

如上所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，所述模拟装置还包括液位计、水流计和摄像机；所述液位计设在所述安装板上方，用于控制注入实验水槽的水量；所述水流计设在所述安装板上方，用于检测海水的流速和流向；所述摄像机设在所述安装板下方，用于观察记录气泡运动过程。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型所述海水中气泡动力学特征模拟装置包括实验水槽和造流模块，所述实验水槽包括外槽和内槽，所述外槽和所述内槽组成一个环形循环水道，所述造流模块包括多个进水口和多个导流鳍，所述多个进水口设在所述外槽上，所述多个导流鳍的一端与所述内槽可转动连接，另一端延伸至所述外槽，所述多个导流鳍上设有多个通水孔，所述多个通水孔的面积由下而上依次减小。海水在本实用新型所述实验水槽内部可以进行循环流动，且流速一直是变化的，形成均匀的流速差异；所述多个导流鳍可以转动，可以对海水起到导流作用，可以调节海水的流向；导流鳍多个通水孔的面积由下而上依次减小，通过多个通水孔的海水量由下而上依次减少，由此可以形成竖直方向上海水的流速差异，多个通水孔可以分层调节海水的流速，多个进水口也可以分层调节海水的流速，从而可以模拟出漂流、潮流或层流等多种类型的流场，实现对海洋环境的模拟。本实用新型所述海水中气泡动力学特征模拟装置针对海洋环境的风、浪、流等水质参数，通过对气泡生成模块、造风模块、造流模块等的系统模块化设计，在实验室条件下模拟出海洋环境中多种风、浪、流组合环境，并通过对气泡初始尺寸、气泡初始流速和通量的控制来研究海水中气泡的动力学特征。所述海水中气泡动力学特征模拟装置操作方便，能够在实验室条件下真实还原海洋环境，实验数据采集方便、准确，对于气泡在海水中规律性的动力学特征的研究具有重要的意义。

结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型海水中气泡动力学特征模拟装置的一种实施例的结构示意图；

图2是本实用新型海水中气泡动力学特征模拟装置的气泡生成模块的一种实施例的结构示意图；

图3是本实用新型海水中气泡动力学特征模拟装置的实验水槽的一种实施例的俯视图。

图1-图3中，附图标记及其对应的部件名称如下：

1.实验水槽；11.外槽；111.第一U型水槽；112.第二U型水槽；113.第一弯曲连接段；114.第二弯曲连接段；12.内槽；13.第一宽水道；14.第一窄水道；15.第二宽水道；16.第二窄水道；21.第一进水口；22.第二进水口；23.第一进水管道；24.第一进水流量控制阀；25.第二进水管道；26.第二进水流量控制阀；27.导流鳍；28.通水孔；3.风扇；41.加热管；42.制冷管；51.温度传感器；52.pH值传感器；53.溶解氧传感器；54.盐度传感器；6.气泡生成模块；61.储气瓶；62.进气流量控制阀；63.进气格栅；64.进气口；7.液位计；8.水流计；9.水下高速摄像机；10.安装板。

具体实施方式

以下对本实用新型的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

如图1-图3所示，该实施例海水中气泡动力学特征模拟装置包括实验水槽1和造流模块，实验水槽1包括外槽11和内槽12，外槽11和内槽12组成一个环形循环水道；造流模块包括多个进水口和多个导流鳍27，多个进水口设在外槽11上，多个导流鳍27的一端与内槽12可转动连接，另一端延伸至外槽11，多个导流鳍27上设有多个通水孔28，多个通水孔28的面积由下而上依次减小。

多个导流鳍27的一端与内槽12可转动连接，另一端延伸至外槽11；因此，多个导流鳍27可以转动，可以对实验水槽1中循环流动的海水起到导流作用，可以调节海水的流向。多个导流鳍27的高度低于环形循环水道的高度，并高于环形循环水道内部水面的高度；导流鳍27的数量为6个，等间隔分布在内槽12和外槽11之间，由此多个导流鳍27可以对环形循环水道中的海水起到均匀的导流作用，便于对海水中的气泡进行规律性的动力学研究。

作为优选的实施方式，多个通水孔28为条形孔，实验水槽1中的海水从多个通水孔28中通过，由于多个通水孔28的面积由下而上依次减小，因此，通过多个通水孔28的海水量由下而上依次减少，由此可以形成竖直方向上海水的流速差异，多个通水孔28可以分层调节海水的流速。

外槽11包括两个相对、错开分布的U型水槽，以及连接两个U型水槽的两个弯曲连接段，两个弯曲连接段将环形循环水道分为依次连通的第一宽水道13、第一窄水道14、第二宽水道15和第二窄水道16。

两个U型水槽相同，两个弯曲连接段相同，两个U型水槽相对错开分布的距离为一个弯曲连接段的距离。作为优选的实施方式，两个U型水槽分别为第一U型水槽111和第二U型水槽112，两个弯曲连接段分别为第一弯曲连接段113和第二弯曲连接段114，设在第一弯曲连接段113上的多个进水口为第一进水口21，设在第二弯曲连接段114上的多个进水口为第二进水口22。

内槽12为跑道形，设在外槽11内部中间位置；第一宽水道13和第二宽水道15的宽度相等，第一窄水道14和第二窄水道16的宽度相等。在本实施例中，第一宽水道13的宽度对应图3中的A，第二宽水道15的宽度对应图3中的B，A=B，第一窄水道14的宽度对应图3中的C，第二窄水道16的宽度对应图3中的D，C=D。本实施例中，环形循环水道的第一宽水道13、第一窄水道14、第二宽水道15和第二窄水道16相互间隔、均匀分布，可以使得环形循环水道中循环流动的海水形成均匀的流速差异，便于对海水中的气泡进行规律性的动力学研究。

第一进水口21由下而上排列在第一弯曲连接段113，第一进水口21连接有第一进水管道23和第二进水流量控制阀24；第二进水口22由下而上排列在第二弯曲连接段114上，第二进水口22连接有第一进水管道25和第二进水流量控制阀26。

打开第一进水管道23和第一进水流量控制阀24，从设在第一弯曲连接段113上的第一进水口21向实验水槽1注入的海水；由于第一进水口21朝向第一宽水道13，因此从第一进水口21注入的海水首先流向第一宽水道13；打开第二进水管道25和第二进水流量控制阀26，从设在第二弯曲连接段114上的第二进水口22向实验水槽1注入的海水；由于第二进水口22朝向第二宽水道15，因此从第二进水口22注入的海水首先流向第二宽水道15；如此，在环形循环水道中的海水的流向是逆时针方向循环流动，依次在第一宽水道13、第一窄水道14、第二宽水道15和第二窄水道16中循环流动。环形循环水道宽度的变化对海水的流速有很大的影响，使得海水在第一宽水道13和第二宽水道15中的流速较快，在第一窄水道14和第二窄水道16中的流速较慢；因此，环形循环水道中循环流动的海水的流速是一直变化的，形成均匀的流速差异，便于对海水中的气泡进行规律性的动力学研究。

模拟装置还包括造风模块，造风模块包括设在实验水槽1上方的多个风扇3，风扇3的角度可以调节。利用风扇3可以产生波浪，风扇3的送风角度和风量可调节，从而可以调节风速和风向，形成不同类型的波浪。

模拟装置还包括温控模块，温控模块包括设在环形循环水道底部的多个加热管41和多个制冷管42，用于调节海水温度。作为优选的实施方式，温度调节范围为5-30℃,对于较低温度的海水环境的模拟，温度可以为5℃，对于常温的海水环境的模拟，温度可以为30℃。

模拟装置还包括安装板10和海水检测模块，安装板10设在任一个U型水槽的弯曲段上方，作为优选的实施方式，安装板10设在第二U型水槽112的弯曲段上方。海水检测模块设在安装板10上方，海水检测模块包括温度传感器51，pH值传感器52，溶解氧传感器53和盐度传感器54等多个传感器，用于检测海水的水质参数。

模拟装置还包括气泡生成模块6，气泡生成模块6设在实验水槽1的下方，包括储气瓶61、气泡流量控制阀62、进风格栅63和进风口64，进风口64设在环形循环水道的底部，进风口64与进风格栅63连接，进风格栅63与气泡流量控制阀62和储气瓶61连接。

造流模块、造风模块、温控模块、海水检测模块和气泡生成模块的控制端口均和中央控制模块的控制端口相连，中央控制模块用于集中控制造流模块、造风模块、温控模块、海水检测模块和气泡生成模块，各模块的数据和控制信号通过控制缆和数据缆连接到外接的中央控制模块。作为优选的实施方式，中央控制模块为MCU。

该实施例海水中气泡动力学特征模拟装置还包括液位计7，液位计7设在所述安装板10上方，用于控制注入实验水槽1的海水量。

该实施例海水中气泡动力学特征模拟装置还包括水流计8，水流计8设在所述安装板10上方，用于检测实验水槽1内海水的流速和流向。

该实施例海水中气泡动力学特征模拟装置还包括摄像机9，摄像机9设在安装板10下方，用于观察记录实验水槽1内气泡运动过程。

本实施例海水中气泡动力学特征模拟实验包括如下步骤：

(1)在实验水槽1中注入海水，利用液位计7测量注入海水量，注入海水量为实验水槽1容积的2/3，约2000L，水面高度低于导流鳍27的高度。

打开第一进水管道23和第一进水流量控制阀24，从设在第一弯曲连接段113上的第一进水口21向实验水槽1注入的海水；由于第一进水口21朝向第一宽水道13，因此从第一进水口21注入的海水首先流向第一宽水道13；打开第二进水管道25和第二进水流量控制阀26，从设在第二弯曲连接段114上的第二进水口22向实验水槽1注入的海水；由于第二进水口22朝向第二宽水道15，因此从第二进水口22注入的海水首先流向第二宽水道15；如此，在环形循环水道中的海水的流向是逆时针方向循环流动，依次在第一宽水道13、第一窄水道14、第二宽水道15和第二窄水道16中循环流动；环形循环水道宽度的变化对海水的流速有很大的影响，使得海水在第一宽水道13和第二宽水道15中的流速较快，在第一窄水道14和第二窄水道16中的流速较慢；因此，环形循环水道中循环流动的海水的流速是一直变化的，形成均匀的流速差异。

通过进水流量控制阀和进水口可以调节实验水槽1内的海水流速，多个进水口由下而上排列在外槽11的两个弯曲连接段上，进水口全部打开的话可以获得最大的海水流速；若只打开弯曲连接段下端的部分进水口的话，可以使得实验水槽1中底层海水的流速大于中高层海水的流速，由此可以形成竖直方向上海水的流速差异，可以分层调节海水的流速，从而可以模拟出漂流、潮流或层流等多种类型的流场。

内槽12和外槽11之间设有多个导流鳍27，多个导流鳍27的一端与内槽12可转动连接，另一端延伸至外槽11；因此，多个导流鳍27可以转动，可以对实验水槽1中的海水起到导流作用。多个导流鳍27上设有多个通水孔28，多个通水孔28的面积由下而上依次减小；由此，流过多个通水孔28的海水量由下而上依次减少，由此可以形成竖直方向上海水的流速差异，可以分层调节海水的流速，从而可以形成漩涡或湍流等多种类型的流场。

(2)根据实验需要，利用温控模块的加热管41或制冷管42对实验水槽1中海水进行温度调节。

(3)利用海水检测模块的温度传感器51，pH值传感器52，溶解氧传感器53和盐度传感器54，分别对实验水槽1中海水的温度、pH值、溶解氧、盐度进行实时检测。

(4)利用水流计8可以检测实验水槽1内海水的流速和流向。

(5)打开造风模块的多个风扇3，可以产生波浪，风扇3的送风角度和风量可调，从而可以调节风速和风向，形成不同类型的波浪。

(6)打开气泡生成模块6的气泡流量控制阀62，储气瓶61中的气体通过进风格栅63和进气口64进入实验水槽1内部。气泡流量控制阀62可以控制气泡通量和气泡初始流速，进风格栅63为网状结构，可以控制进入实验水槽1的气泡初始尺寸。作为优选的实施方式，气泡生成模块包括两层进风格栅63，两层进风格栅63可以更好地控制气泡尺寸。可以利用摄像机9观察记录实验水槽1内气泡运动过程。

本实施例中，气泡初始流速是指气泡刚进入实验水槽时的流速，气泡初始尺寸是指气泡刚进入实验水槽时的尺寸，气泡通量是指刚进入实验水槽的气泡通量。

如此，可以在实验室条件下模拟出海洋环境中多种风、浪、流组合环境，并通过对气泡初始尺寸、气泡初始流速和气泡通量的控制来研究海水中气泡的动力学特征。

该实施例海水中气泡动力学特征模拟装置针对海洋环境的风、浪、流等水质参数，通过对气泡生成模块、造风模块、造流模块等的系统模块化设计，在实验室条件下模拟出海洋环境中多种风、浪、流组合环境，并通过对气泡初始尺寸、气泡初始流速和气泡通量的控制来研究海水中气泡的动力学特征。该实施例海水中气泡动力学特征模拟装置操作方便，能够在实验室条件下真实还原海洋环境，实验数据采集方便、准确，对于气泡在海水中规律性的动力学特征的研究具有重要的意义。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.海水中气泡动力学特征模拟装置，其特征在于，包括实验水槽和造流模块，

所述实验水槽包括外槽和内槽，所述外槽和所述内槽组成一个环形循环水道，

所述造流模块包括多个进水口和多个导流鳍，

所述多个进水口设在所述外槽上，

所述多个导流鳍的一端与所述内槽可转动连接，另一端延伸至所述外槽，

所述多个导流鳍上设有多个通水孔，所述多个通水孔的面积由下而上依次减小。

2.如权利要求1所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，其特征在于，所述外槽包括两个相对、错开分布的U型水槽，以及连接所述两个U型水槽的两个弯曲连接段，所述两个弯曲连接段将所述环形循环水道分为依次连通的第一宽水道、第一窄水道、第二宽水道和第二窄水道。

3.如权利要求2所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，其特征在于，所述两个U型水槽相同，所述两个弯曲连接段相同，所述两个U型水槽相对错开分布的距离为一个所述弯曲连接段的距离。

4.如权利要求3所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，其特征在于，所述内槽为跑道形，设在所述外槽内部中间位置；所述第一宽水道和所述第二宽水道的宽度相等，所述第一窄水道和所述第二窄水道的宽度相等。

5.如权利要求4所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，其特征在于，所述多个导流鳍的高度低于所述环形循环水道的高度，并高于所述环形循环水道内部水面的高度；所述导流鳍的数量为6个，等间隔分布在所述内槽和所述外槽之间。

6.如权利要求5所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，其特征在于，所述多个进水口由下而上排列在所述外槽的所述两个弯曲连接段上，所述多个进水口连接有进水管道和进水流量控制阀。

7.如权利要求6所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括造风模块，所述造风模块包括设在所述实验水槽上方的多个风扇，所述风扇的角度可以调节；所述模拟装置还包括温控模块，所述温控模块包括设在环形循环水道底部的多个加热管和多个制冷管，用于调节海水温度；所述模拟装置还包括安装板和海水检测模块，所述安装板设在任一个所述U型水槽的弯曲段上方，所述海水检测模块设在所述安装板上方，所述海水检测模块包括温度传感器，pH值传感器，溶解氧传感器和盐度传感器，用于检测海水的水质参数。

8.如权利要求7所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括气泡生成模块，所述气泡生成模块设在所述实验水槽的下方，包括储气瓶、气泡流量控制阀、进风格栅和进风口，所述进风口设在所述环形循环水道的底部，所述进风口与所述进风格栅连接，所述进风格栅与所述气泡流量控制阀和所述储气瓶连接。

9.如权利要求8所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，其特征在于，所述造流模块、所述造风模块、所述温控模块、所述海水检测模块和所述气泡生成模块的控制端口均和中央控制模块的控制端口相连，所述中央控制模块用于集中控制所述造流模块、所述造风模块、所述温控模块、所述海水检测模块和所述气泡生成模块。

10.如权利要求7-9中任一项所述的海水中气泡动力学特征模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括液位计、水流计和摄像机；所述液位计设在所述安装板上方，用于控制注入实验水槽的水量；所述水流计设在所述安装板上方，用于检测海水的流速和流向；所述摄像机设在所述安装板下方，用于观察记录气泡运动过程。