CN104933321B - 一种人工上升流羽流浓度的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工上升流羽流浓度的控制方法，可应用于海洋和湖泊领域。羽流浓度太小不能提供藻类生长所需的营养；羽流浓度太大不能被密度界面保持住而落到密度界面以下，使得其中的营养无法被藻类所利用；本发明的控制方法简单可靠，操作方便，可容易得到涌升管布放的理想深度，从而保证人工上升流羽流浓度满足藻类生长需求。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程领域，尤其涉及一种人工上升流羽流浓度的控制方法。
技术背景
200米以下的深层海水富含营养盐，洁净不含致病菌。通过过去几年的研究我们已经可以提升深层海水，并把它扩散在透光层海水中来提高浮游植物产量，进而增加开放海域海水养殖的产量。最近几年各种抽取深层海水的机械装置的研究引起了大家的兴趣，其中永恒盐泉，波浪力和气力上升流装置的水动力性能受到了更多的关注。然而，制约人工上升流发展的一个障碍是难以保证稀释后的羽流浓度为理想浓度。此外，过高的密度会使得羽流无法被密度界面即温跃层捕获。
当被提升的深层海水从管口喷出后，它将经历三个湍流混合过程。第一阶段，深层海水上升后由于负浮力下落，形成羽流。羽流进入周围海水，并与周围海水混合。混合的第一个过程将稀释羽流带到一个过渡界面上，也就是海水中的温跃层。第二阶段，羽流的轨迹变得平缓，由于温跃层的阻碍，羽流水平扩散。第三阶段为同时受到波和浪作用的动态被动湍流扩散。羽流的稀释度取决于一系列水动力因数，其中一些因素可以在第一和第二阶段中得到控制，比如管口深度、流量、管径等。在文章《Nutrient transport from anartificial upwelling of deep sea water》中提到的永恒盐泉驱动上升流羽流的平均速度模型，以及在《Flow prediction in upwelling deep seawater‐the perpetual saltfountain》中模拟的来自涌升管的营养盐羽流运输机制，发现来自6m管径的涌升管羽流稀释度被保持在0.1％。因此，根据上述文章中的结果，羽流中的营养盐浓度太低无法满足海洋牧场的需要。
可以说至今还没有对上升流羽流浓度控制的***性研究，当然也没有任何统一的控制标准。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种人工上升流羽流浓度的控制方法，该控制方法简单可靠，操作方便，在海洋和湖泊中都可以应用。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种人工上升流羽流浓度的控制方法，包括以下步骤：
(1)通过测量得到密度界面以上海水密度ρ0、密度界面以下海水密度ρ1、深层海水密度ρd、周围海水横向流速u∞、羽流初速度u0和涌升管半径即羽流初始半径r0等参数；
根据混合液体密度公式(1)和羽流被密度界面保持住必须满足的条件(2)，得到羽流浓度C(x)必须满足的条件式(3)，
其中：ρm(x)为混合液体密度，Vd(x)为羽流液体体积，V0(x)为密度界面以上海水中与羽流混合的部分海水的液体体积，Vd(x)+V0(x)为羽流与周围海水混合后的液体总体积，
ρm(x)≤ρ1 (2)
当羽流浓度C(x)在能被密度界面保持住的前提下，羽流浓度C(x)越大越有利于藻类生长，所以，根据公式(3)，取羽流理想浓度Coptimal为：
(2)由羽流浓度公式(5)得到理想羽流浓度公式(6)，然后联立式(4)和式(6)，获得羽流与密度界面的理想碰撞点xoptimal处的理想半径roptimal(xoptimal)如式(7)：
其中：ζ＝u0/u∞；
(3)双层流的拉格朗日公式为：
其中，β为经验扩散系数，在双层横向流中的负浮力羽流中，我们取β≈0.17，r(x)为为羽流稀释后的半径，x为羽流与密度界面的碰撞点；
将由步骤(2)得到的roptimal(xoptimal)代入双层流的拉格朗日公式(8)中的r(x)，可以得到羽流与密度界面的理想碰撞点xoptimal，即：
(4)双层流中的羽流中心线到海平面的距离的表达式为：
其中：z(x)为羽流中心线到海平面的距离；z(0)为羽流中心线初始位置到海平面的距离即涌升管管口到海平面的距离；
将羽流与密度界面的理想碰撞点xoptimal代入双层流中的羽流中心线到海平面的距离的表达式(10)中的x后，可得到涌升管管口到海平面的理想距离zoptimal为：
其中：H0＝z(xoptimal)，H0为密度界面与海平面的距离；
(5)通过步骤(1)‐(4)可得到涌升管管口到海平面的理想距离zoptimal，将涌升管设置在理想深度zoptimal处，即可实现人工上升流羽流浓度的控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明可以有效控制羽流浓度，营造有利于藻类生长的环境。
2、本发明的控制方法简单可靠，操作方便，在海洋和湖泊中都可以应用。
附图说明
图1为人工上升流羽流稀释过程图；
图中，ρ0为密度界面以上海水密度、ρ1为密度界面以下海水密度、u∞为周围海水横向流速、r0为涌升管半径即羽流初始半径、H0为密度界面与海平面的距离、z(0)为管口与海平面的距离、x为羽流与密度界面的碰撞点。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明做进一步的详细说明。
为了给藻类生长提供更好的环境，本发明提出一种人工上升流羽流浓度的控制方法，该控制方法简单可靠，操作方便，在海洋和湖泊中都可以应用。具体包括以下步骤：
(1)通过测量得到密度界面以上海水密度ρ0、密度界面以下海水密度ρ1、深层海水密度ρd、周围海水横向流速u∞、羽流初速度u0和涌升管半径即羽流初始半径r0；
根据混合液体密度公式(1)和羽流被密度界面保持住必须满足的条件(2)，得到羽流浓度C(x)必须满足的条件式(3)，
其中：ρm(x)为混合液体密度，Vd(x)为羽流液体体积，V0(x)为密度界面以上海水中与羽流混合的部分海水的液体体积，Vd(x)+V0(x)为羽流与周围海水混合后的液体总体积，
ρm(x)≤ρ1 (2)
当羽流浓度C(x)在能被密度界面保持住的前提下，羽流浓度C(x)越大越有利于藻类生长，所以，根据公式(3)，取羽流理想浓度Coptimal为：
(2)由羽流浓度公式(5)得到理想羽流浓度公式(6)，然后联立式(4)和式(6)，获得羽流与密度界面的理想碰撞点xoptimal处的理想半径roptimal(xoptimal)如式(7)：
其中：ζ＝u0/u∞；
(3)双层流的拉格朗日公式为：
其中，β为经验扩散系数，在双层横向流中的负浮力羽流中，我们取β≈0.17，r(x)为为羽流稀释后的半径，x为羽流与密度界面的碰撞点；
将由步骤(2)得到的roptimal(xoptimal)代入双层流的拉格朗日公式(8)中的r(x)，可以得到羽流与密度界面的理想碰撞点xoptimal，即：
(4)双层流中的羽流中心线(如图1中的虚线)到海平面的距离的表达式为：
其中：z(x)为羽流中心线到海平面的距离；z(0)为羽流中心线初始位置到海平面的距离即涌升管管口到海平面的距离；
将羽流与密度界面的理想碰撞点xoptimal代入双层流中的羽流中心线到海平面的距离的表达式(10)中的x后，可得到涌升管管口到海平面的理想距离zoptimal为：
其中：H0＝z(xoptimal)，H0为密度界面与海平面的距离；
(5)通过步骤(1)‐(4)可得到涌升管管口到海平面的理想距离zoptimal，将涌升管设置在理想深度zoptimal处，即可实现人工上升流羽流浓度的控制。
羽流浓度太小不能提供藻类生长所需的营养；羽流浓度太大不能被密度界面保持住而落到密度界面以下，使得其中的营养无法被藻类所利用；所以，将涌升管布放到理想深度可以保证人工上升流羽流浓度满足藻类生长需求。
Claims (1)
1.一种人工上升流羽流浓度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过测量得到密度界面以上海水密度ρ0、密度界面以下海水密度ρ1、深层海水密度ρd、周围海水横向流速u∞、羽流初速度u0和涌升管半径即羽流初始半径r0参数；
根据混合液体密度公式(1)和羽流被密度界面保持住必须满足的条件(2)，得到羽流浓度C(x)必须满足的条件式(3)，
其中：ρm(x)为混合液体密度，Vd(x)为羽流液体体积，V0(x)为密度界面以上海水中与羽流混合的部分海水的液体体积，Vd(x)+V0(x)为羽流与周围海水混合后的液体总体积，
ρm(x)≤ρ1 (2)
当羽流浓度C(x)在能被密度界面保持住的前提下，羽流浓度C(x)越大越有利于藻类生长，所以，根据公式(3)，取羽流理想浓度Coptimal为：
(2)由羽流浓度公式(5)得到理想羽流浓度公式(6)，然后联立式(4)和式(6)，获得羽流与密度界面的理想碰撞点xoptimal处的理想半径roptimal(xoptimal)如式(7)：
其中：ζ＝u0/u∞；
(3)双层流的拉格朗日公式为：
其中，β为经验扩散系数，在双层横向流中的负浮力羽流中，我们取β≈0.17，r(x)为为羽流稀释后的半径，x为羽流与密度界面的碰撞点；
将由步骤(2)得到的roptimal(xoptimal)代入双层流的拉格朗日公式(8)中的r(x)，可以得到羽流与密度界面的理想碰撞点xoptimal，即：
(4)双层流中的羽流中心线到海平面的距离的表达式为：
其中：z(x)为羽流中心线到海平面的距离；z(0)为羽流中心线初始位置到海平面的距离即涌升管管口到海平面的距离；
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