CN207163691U - 一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置，属于水环境实验领域。针对现有技术中存在的实验装置环境不统一，组装复杂，操作繁琐的问题，本实用新型提供了一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置。包括实验台底座，实验台底座外围设置有支架，支架设置在实验台底座四周以及上方，实验台底座上设置有样品培养池，扰动装置设置在支架上，并穿过支架伸入样品培养池。电动机转动圆周运动，使支杆的上下直线的周期性运动，通过电动机上的调频器作用，使电机的转速相同，让左右的支杆运动呈现不同的直线运动，通过机械能转化为势能，模拟出湖泊波浪不规则的三度波，它可以实现模拟环境逼真，装置简单，操作方便。

Description

一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置

技术领域

本实用新型涉及水环境实验领域，更具体地说，涉及一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置。

背景技术

海面波浪是沿着水和空气之间的分界面传播的波浪，恢复力由重力提供，因此它们常常被称为表面重力波浪。深水中的波浪一般具有不变的波长。当波浪与海底相互作用时，它开始“变浅”。典型地，这发生在深度变成比波浪的波长的一半还浅、波长变短并且波幅增大时。当波幅增大时，由于波浪的波峰移动得比波谷快，所以波浪可能变得不稳定。当波幅是水深度的大约80％时，波浪开始“破碎”并且我们进行冲浪。这个上升和破碎过程取决于海滩的倾角和轮廓、波浪接近海滩的角度、水深和接近海滩的深水波浪的特性。通过对底部地形的改变，这些波浪的折射和聚焦是可能的。

海浪一般有五个阶段：产生；传播，浅化，破碎，和衰减。一般而言，波浪可以表现出导致四种主要碎浪类型之一的特征：溢出，卷入，崩溃；和涌浪，各种系统和技术试图在人造环境中复制海浪。这些系统中的一些包括引导快速运动的、相对浅的一片水撞击造型成波形的固体以产生可以乘的但实际上并非波浪的水效果。其他系统利用线性致动的桨、液压或气动的水闸或仅仅利用大的受控的水喷射来产生实际的波浪。然而，所有这些系统在将能量转变成“波浪”方面都是效率低的，由于各种原因和缺点，这些系统中还没有一个接近产生这样的波浪，该波浪复制被找寻以便乘上的最令人满意的波浪的所需尺寸、波形、速度和破碎，所述波浪即进入下降的浅水、破碎成管状的波浪，该波浪具有相对长的持续时间和足够冲浪者进行动作的面。

现代试验中需要对异位培养样品时，要求对采样点真实环境进行模拟，如底泥的异位培养，性质测试试验中，需要真实模拟湖波作用下的大气复氧的环境，是底泥性质的重要影响之一。因此对实验装置进行波浪模拟是试验所需要的。

经检索，专利号ZL 201410171156.6，公开日2014年8月13日，公开了一种波浪与湖流共同作用下模拟底泥侵蚀和传输特征的水槽装置，包括引浪通道和波浪试验水池，引浪通道将波浪引进并通过引浪通道引进的波浪形成波浪试验水池，引浪通道内设有能制造人工波浪的造波摆，造波摆底部设有摆动轴，造波摆套在摆动轴上，两者紧密贴合，能左右摆动形成人工波浪。本发明达到不用建立大规模实验室实现造波实验的目的，可调节配重的造波摆设计可随意调整造波摆配重来使其固有频率发生变化，从而根据需要制造不同频率和振幅的波浪。次是利用电能转化为机械能，形成推流，在水槽内形成波浪，这样易于得到底泥侵蚀和传输特征的实验结果，但此专利组装复杂，操作繁琐，这种实验装置并不能模拟出湖波的不规则三度波的现象。

再次进行检索，专利号ZL 201420208166.8，公开日2017年10月22日，公开了一种无能耗的制造波浪装置，发明人为许雪峰等人。包括引浪通道和波浪试验水池，引浪通道将波浪引进并通过引浪通道引进的波浪形成波浪试验水池，引浪通道内设有能制造人工波浪的造波摆，造波摆底部设有摆动轴，造波摆套在摆动轴上，两者紧密贴合，能左右摆动形成人工波浪。此实用新型达到不用建立大规模实验室实现造波实验的目的，可调节配重的造波摆设计可随意调整造波摆配重来使其固有频率发生变化，从而根据需要制造不同频率和振幅的波浪。主要特点是无需外施能量，此专利巧妙地利用海浪推流作用，通过钟摆式造波摆装置，将海浪引入大型的水槽内，实现波浪的推流情况，但这种实验装置适用于大型波浪的试验器中，且其实验装置的摆放位置必须靠海，其实比较适用于航海模型一类试验中。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的实验装置环境不统一，组装复杂，操作繁琐的问题，本实用新型提供了一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置。它可以实现模拟环境逼真，装置简单，操作方便。 2.技术方案

本实用新型的目的通过以下技术方案实现。

一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置，包括实验台底座，实验台底座外围设置有支架，支架设置在实验台底座四周以及上方，实验台底座上设置有样品培养池，扰动装置设置在支架上，并穿过支架伸入样品培养池。

更进一步的，所述的扰动装置包括设置在支架上方的两套动力传动装置，动力传动装置包括电动机，电动机通过动力连接点活动连接短连杆，短连杆活动连接长连杆，长连杆活动连接支杆，动力传动装置底部设置有上下导向的轨道，支杆沿轨道上下运动，支杆底部连接有垂直于支杆设置的平板。

更进一步的，所述的短连杆通过螺栓活动连接长连杆，长连杆通过螺栓活动连接支杆。活动连接，通过短连杆转动驱动长连杆。

更进一步的，长连杆所述的轨道为橡胶制轨道。橡胶制的轨道可以平滑稳定的对支杆进行导向，安静，稳定。

更进一步的，支杆所述的电动机上设置有调频器。可以方便对电动机进行调整，保证所需的电动机频率。

更进一步的，支杆样品培养池内设置有灯管组。有效保证了实验所需的光照环境。

更进一步的，所述的样品培养池内设置有恒温加热装置。保证了实验所需的温度环境，实验更加精确。

更进一步的，恒温加热装置包括外部设置的密闭层，密闭层内部设置有电源，电源连接电阻加热铁线圈，密闭层内部充满2-甲基丁烷。恒温加热装置独立，且密封，安全性好，温度稳定。

一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置的实验方法，其步骤如下：

A、搭建权利要求上述任一所述的实验装置；

B、调整电动机转动，使得一侧平板在顶部，一侧平板在底部；

C、调试两个电动机上的调频器，使得电动机转动速率相同；

D、同时开启电动机，电动机驱动两个平板上下交替运动，在样品培养池中形成不规则的三度波。

更进一步的，对恒温加热装置进行加热，保持样品培养池温度在27.8℃；和/或开启灯管组。

本方案模拟风浪扰动装置的机理是将电动机转动圆周运动，通过曲柄连杆装置，使螺栓连接的支杆呈现出上下直线的周期性运动。通过调试电动机上的调频器，使电机的转动速率相同，但要保证左右的支杆运动起始点不同，这样造波装置表现的情况，即当一边支杆到达样品培养池中，机械能转化为湖泊波浪的势能，制造出湖泊波浪，然后支杆提升，此时另一边的支杆到达样品培养池，制造出波浪，当不同周期的波浪相遇，会模拟出湖泊风浪扰动作用，形成不规则的三度波，在这样的实验环境下，通过一段时间的异位培养湖泊底泥，且有效控制变量，方便实验者进行下一步探索研究工作，提高实验结果的真实度。另外，为了控制变量光照强度和温度，在装置中增加可控光照强度灯管组，光照在1000-4000LX和恒温加热装置，27.8摄氏度。

3.有益效果

相比于现有技术，本实用新型的优点在于：

(1)本实验装置通过曲柄连杆式的造波装置，会模拟浅水湖泊的风浪扰动。且由于有左右两个支杆的作用，会形成不规则三度波，能真实模拟出湖面波浪。相比于传统的柱状原位培养装置，达到有效地模拟出湖泊环境中风浪扰动的真实情况，这样方便实验者在实验室中开展实验，得出实验结论；

(2)本方案使用动力连接点活动连接连杆，来进行上下运动，通过上下运动形成对应的水底扰动，在水中形成所需波浪；

(3)本方案在支杆导向的方向，使用了橡胶制的轨道可以平滑稳定的对支杆进行导向，安静，稳定；

(4)支杆所述的电动机上设置有调频器。可以方便对电动机进行调整，保证所需的电动机频率，方便快捷控制电动机进行调整；

(5)支杆样品培养池内设置有灯管组。有效保证了实验所需的光照环境，可以控制试验过程中的光照强度因素，有效控制实验环境中的变量，实验数据精确，大大提高实验结果的可信度；

(6)样品培养池内设置有恒温加热装置，实验装置还可以控制实验中的温度因素，有效控制实验环境中的变量，实验数据精确，大大提高实验结果的可信度；

(7)恒温加热装置包括外部设置的密闭层，密闭层内部设置有电源，电源连接电阻加热铁线圈，密闭层内部充满2-甲基丁烷，通过沸点固定的物质，设置恒温加热装置，稳定控制温度，控制效果好。

附图说明

图1是实验装置整体结构示意图；

图2是实验装置传动部分的结构示意图；

图3是动力电机和调频器的左视图；

图4是恒温加热装置示意图。

图中：1、动力传动装置；2、支架；3、样品培养池；4、支杆；5、实验台底座；6、灯管组；7、恒温加热装置；8、动力连接点；9、螺栓；10、轨道；11、平板；12、电动机；13、调频器；14、密闭层；15、电源；16、电阻加热铁线圈；17、2-甲基丁烷。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本实用新型作详细描述。

实施例1

在湖泊底泥性质变化的探索实验过程中，实验室异位底泥培养装置，存在缺乏对湖泊波浪的真实环境模拟的问题。大气复氧是整个湖泊水体补充氧气的重要机制，湖泊的风浪扰动会有效加速大气复氧的进程，对于湖泊底泥的性质影响很大。如果在这种没有风浪扰动装置的异位底泥培养实验装置中，在某种程度上会降低实验结果的真实性。另外，在野外进行原位底泥的采样，直接测定底泥性质，却又不能达到实验室控制外界环境中的不确定因素，造成实验数据偏差。本实验装置就是针对这些问题提出来的，整个实验装置易组装，操作也不复杂，便于实验者展开探究性实验。

本方案设置的一种可以模拟湖波的异位培养底泥实验装置，针对对象动作是底泥的培养，继而可以探究实验所需的数据，较为准确的模拟出浅水湖泊风浪扰动情况下产生的不规则三度波，且设备组装简单易行。同时装置可以在像实验室这样面积小的地方搭建设备，在本实验装置中培养底泥，方便进行实验管理，经过一段时间后可以进行数据监测，减少野外环境不确定因素对实验结果产生负面影响。

如图1所示，一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置，包括实验台底座5，实验台底座5外围设置有支架2，支架2设置在实验台底座5四周以及上方，实验台底座5上设置有样品培养池3，扰动装置设置在支架2上，并穿过支架2伸入样品培养池3。

如图2所示，所述的扰动装置包括设置在支架2上方的两套动力传动装置1，动力传动装置1包括电动机12，电动机12通过动力连接点8活动连接短连杆，短连杆活动连接长连杆，长连杆活动连接支杆4，动力传动装置1底部设置有上下导向的轨道10，支杆4沿轨道 10上下运动，支杆4底部连接有垂直于支杆4设置的平板11。所述的短连杆通过螺栓9活动连接长连杆，长连杆通过螺栓9活动连接支杆4。所述的轨道10为橡胶制轨道。如图3所示，所述的电动机12上设置有调频器13。所示的扰动装置上动力连接点8电动机和连杆通过齿轮的连接，将有效咬合，传输动力。支杆10由于旁边橡胶制轨道的限制作用下，沿着轨道作上下的直线运动。平板11的应用将会使机械能有效地转化为势能，形成湖泊波浪。整个传动装置的流程就是经过曲柄连杆装置转化，并且用螺栓连接使短杆和长杆连接，电动机转轴的圆周运动，转化为支杆10直线运动，在橡胶制轨道的限制作用下，使支杆呈现出上下直线的周期性运动。是调频器13，它的作用就是让左右两个电动机12的转轴速率相同，装置上的电机转速范围最好控制在每分钟10转到30转，这样使得相同。同时需要调整支杆4上下直线运动，使其呈现的效果是两边的支杆4不同时运动，即当一边支杆到达样品培养池中，机械能转化为湖泊波浪的势能，制造出湖泊波浪，然后就会支杆提升，此时另一边的支杆到达样品培养池，同样的制造出波浪，此时不同周期的波浪相遇，会模拟出湖泊波浪不规则的三度波。如果只开启一边的调频器13，只有一个支杆制造波浪，形成推流，这样就可以实现风浪扰动形式下的推流情形。实现在针对底泥异位培养实验中，控制波浪形成的效果，高保真度的模拟波浪的产生。导致样品培养池中的水面出现的波浪不同周期波动，模拟湖泊波浪的不规则三度波的真实环境，把握实验环境的准确性。

实施例2

如图4所示，样品培养池3内设置有灯管组6。所述的样品培养池内设置有恒温加热装置7。恒温加热装置7包括外部设置的密闭层14，密封层14可以由不锈钢制作，密闭层14内部设置有电源15，电源15连接电阻加热铁线圈16，密闭层14内部充满2-甲基丁烷17。本装置上在样品培养池外加入几组可控光照强度的灯管6，亮度可以为1000-4000LX，方便实验者探究光照实验的影响。同时加入恒温加热装置7，利用的液体：沸点为27.8摄氏度的 2-甲基丁烷，且其比热容也小于水，相对能耗低，在密闭的环境下保持液体，即加热装置保持恒定的温度条件，可以控制变量温度条件，方便实验者进行实验。且考虑到样品培养池中的微生物的存在，27.8摄氏度适宜其生存，避免其他加热装置杀死微生物，导致实验数据的不理想。

实施例3

一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置的实验方法，其步骤如下：

A、搭建上述实施例所述的实验装置；

B、调整电动机12转动，使得一侧平板11在顶部，一侧平板11在底部；

C、调试两个电动机12上的调频器13，使得电动机12转动速率相同；

D、同时开启电动机12，电动机12驱动两个平板11上下交替运动，在样品培养池3中模拟形成湖面波浪。

对恒温加热装置进行加热，保持样品培养池3温度在27.8℃；和/或开启灯管组6。

实施例4

本装置实施的具体实例，可以应用于湖泊底泥的异位培养试验中，先将整体装置如图1 组装完毕，根据底泥体积，假设有底泥5升，按1：2体积比，得出水体体积10L，定制的样品培养池3体积为15L，出于对实验装置占地面积的考虑，设计长宽高比为1：1:10，则长宽高分别为11.5cm*11.5cm*115cm。在样品培养池3中放入采样所得的样品底泥，再在样品培养池3中放入目标地湖泊的水样，完毕后。开始调整可升降的实验台底座5的高度，使支杆 4的底端的平板11没入到底泥面至水平面二分之一的距离处。准备工作完成后，开始调整动力传动装置，首先接通电源，开启电动机12，然后接着调动调频器13，建议设置每分钟20转，达到的效果标准，如下所示，当一边支杆到达样品培养池中，机械能转化为湖泊波浪的势能，制造出湖泊波浪，然后由于曲柄连杆机械转动的作用，支杆作直线运动提升，此时另一边的支杆进入样品培养池，同样的制造出波浪，此时不同周期的波浪相遇，会模拟出湖泊波浪不规则的三度波。在支杆4完成上述运动后，可以通过控制调频器13的参数，控制其参数大小，其范围10r/min～30r/min，可以控制样品培养池3中的波浪的峰值大小，但其两边的参数必须相同，不然不会出现湖泊波浪不规则的三度波现象。当需要控制样品培养过程中的变量温度和光照强度时，需要对可控光源灯管组6和恒温加热装置7的调试，调试到实验所需的条件，温度一般固定在27.8℃，光照强度为1000～4000LX，当装置调试完毕后，最后就是异位培养阶段，培养三天，对底泥性质进行监测，比如pH、ORP等指标，当其与采样点的性质差不多时，就可以探究不规则三度波的底泥异位培养下，底泥和原水水体的性质。

实施例5

如同实施例4所述，构建相同尺寸的样品培养池3，放入采样所得的样品底泥，再在样品培养池3中放入目标地湖泊的水样，调整可升降的实验台底座5的高度，使支杆4的底端的平板11没入到底泥面至水平面二分之一的距离处。然后，接通电源，开启一边的电动机12，然后接着调动调频器13，建议设置每分钟20转，然后可以制造出同一个周期的波浪,模仿出湖波中的推流情况。当需要控制样品培养过程中的变量温度和光照强度时，需要对可控光源灯管组6和恒温加热装置7的调试，调试到实验所需的条件，温度一般固定在27.8℃，光照强度为1000～4000LX，当调试完毕后，最后就是异位培养阶段，培养五天后，对底泥性质进行监测，比如pH、ORP等指标，当其与目标采样点的性质接近时，可以探究波浪推流情况下的底泥异位培养情况下，底泥和原水水体性质。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (7)

1.一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置，其特征在于：包括实验台底座(5)，实验台底座(5)外围设置有支架(2)，支架(2)设置在实验台底座(5)四周以及上方，实验台底座(5)上设置有样品培养池(3)，扰动装置设置在支架(2)上，并穿过支架(2)伸入样品培养池(3)，所述的扰动装置包括设置在支架(2)上方的两套动力传动装置(1)，动力传动装置(1)包括电动机(12)，电动机(12)通过动力连接点(8)活动连接短连杆，短连杆活动连接长连杆，长连杆活动连接支杆(4)，动力传动装置(1)底部设置有上下导向的轨道(10)，支杆(4)沿轨道(10)上下运动，支杆(4)底部连接有垂直于支杆(4)设置的平板(11)。

2.根据权利要求1所述的一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置，其特征在于：所述的短连杆通过螺栓(9)活动连接长连杆，长连杆通过螺栓(9)活动连接支杆(4)。

3.根据权利要求1所述的一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置，其特征在于：所述的轨道(10)为橡胶制轨道。

4.根据权利要求1所述的一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置，其特征在于：所述的电动机(12)上设置有调频器(13)。

5.根据权利要求1所述的一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置，其特征在于：样品培养池(3)内设置有灯管组(6)。

6.根据权利要求1或5所述的一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置，其特征在于：所述的样品培养池内设置有恒温加热装置(7)。

7.根据权利要求6所述的一种模拟湖泊波浪扰动的实验装置，其特征在于：恒温加热装置(7)包括外部设置的密闭层(14)，密闭层(14)内部设置有电源(15)，电源(15)连接电阻加热铁线圈(16)，密闭层(14)内部充满2-甲基丁烷(17)。