CN107219060A - 一种内波与气泡相互作用的实验*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内波与气泡相互作用的实验***，包括实验槽、设置在实验槽内的扰动单元和气泡发生单元；所述的实验槽内部至少包括两层密度不同的介质；所述的扰动单元包括扰动板组件，该组件包括一设置在两介质界面的扰动产生模拟内波；同时，气泡发生单元开启，模拟内波和气泡相互作用，模拟气泡保护下潜体模型对内波的响应。相较于目前的内波水槽，本发明的内波气泡水槽能够完成以上的实验模拟，弥补以往内波水槽的模拟实验单一的缺点。

Description

一种内波与气泡相互作用的实验***

技术领域

本发明涉及一种内波实验方法与***，尤其是一种研究内波与气泡相互作用的实验方法与***。涉及专利分类号G01测量；测试G01M机器或结构部件的静或动平衡的测试；其他类目中不包括的结构部件或设备的测试G01M10/00流体动力学试验；船只试验池或水道内或上面的装置。

背景技术

海洋内波和表面波不同，最大的振幅发生在海面以下，是一种重力波，或称为内惯性重力波。内波的波要素有很强的随机性，其尺度范围很宽：对于低频内波来说，它的波长可达几十甚至几百公里，波速为每秒几米，振幅可以达到百米以上；而对于短内波来说，它的波长为几百米到几公里的量级，波速可达每秒几十厘米，周期范围从几分钟到几小时之间不等，目前观测到的最大的内潮波振幅有180米。

内波是引起海水混合、形成细微结构的重要原因。内波导致等密度面的波动，对海上设施也有破坏作用，船只航行在很浅的密度跃层上方时，其动力造成在跃层处产生内波，船只的动能被消耗，因此显著减速。潜艇或深潜器航行时若遭遇内波，会因受到分层面起伏的影响而发生快速地上下起伏运动。强大的内波可能将潜体抛向水面或压向海底，危及其航行安全。如水面舰艇在波浪处航行一样，当潜体在海洋内波区域活动时，由于内波作用其也会产生“中拱”、“中垂”现象，严重时会造成结构断裂。不仅如此内波还导致在水下活动的潜艇难以保持正常的航向和武器发射姿态，影响水下武器发射命中率。

海洋内波的产生应具备两个条件：一是海水密度稳定分层，二是要有扰动能源，两者缺一不可。在海底深层，当海水因温度、盐度的变化，出现密度分层后，尤其是在海水出现跃层，经大气压力变化、地震影响以及船舶运动等外力扰动，就可能在海水内部引发起内波。

有人对内孤立波作用下的细长潜体的运动特性进行了实验研究，认为细长潜体在内孤立波作用下的质心运动轨迹近似于椭圆，而其垂/纵荡和横/纵摇主要受到波幅因子和潜深的影响：潜***于内孤立波上/下方时主要发生纵荡，而位于穿越内孤立波位置时主要发生垂荡。此外调研表明，介于等温层与跃温层分界面的气泡会诱导内波。以上研究结果触发了利用气泡保护强内波场中潜浮体的设想。目前的内波水槽主要用于模拟单向内波或扰动体产生内波，由于其作用的单一性，在面对一些新的研究问题时，出现了一定的局限性。比如：气泡在密度跃层处的扰动所产生内波的机理问题；模拟内波与气泡相互作用问题；模拟多个方向内波相互作用问题；在气泡保护下，潜浮体受内波激励运动响应缓解研究等等，这需要一种新的能够同时模拟内波和气泡的实验方法与***，本发明为研究、验证这一类新问题提出了一套实验方法和实验***。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种内波与气泡相互作用的实验***，包括实验槽、设置在实验槽内的扰动单元和气泡发生单元；

所述的实验槽内部至少包括两层密度不同的介质；

所述的扰动单元包括扰动板组件，该组件包括一设置在两介质界面的扰动产生模拟内波；同时，气泡发生单元开启，模拟内波和气泡相互作用，模拟气泡保护下潜体模型对内波的响应。

作为优选的实施方式，所述的扰动板组件包括一水平扰动板I，该水平扰动板I由贯穿该扰动板的驱动轴带动，完成特定角度的转动/摆动。

作为优选的实施方式，所述的扰动板组件包括一垂直扰动板，该垂直扰动板由贯穿垂直扰动板底边缘的驱动轴带动，完成特定角度的摆动/转动。

作为优选的实施方式，所述的实验槽为矩形。

更进一步的，所述的气泡发生单元固定在实验槽的一端，在实验槽的另一端设有消波板组成的消波区。

更进一步的，所述的气泡发生单元至少包括沿实验槽宽度方向设置的相互平行的固定吹泡管和移动吹泡管；

实验过程中，调节固定吹泡管和移动吹泡管的间距，与不同的内波波长关联，研究气泡和内波波长的相互作用。

作为优选的实施方式，所述的实验槽为半圆形或近似半圆形；

多个扰动板组件沿所述实验槽的弧形侧壁排列；

多个沿所述实验槽的底边侧壁的消波板组成所述的消波区；

实验过程中，所述的多个扰动板组件同时或部分工作，模拟不同方向的内波。

更进一步的，所述的扰动板组件由液压控制单元控制；

所述的液压控制单元包括：与总油箱连接的液压干路和连接终端螺线摆动液压缸的液压支路；

所述的液压干路依次设置有过滤器、液压泵、溢流阀、单向阀和电磁换向阀；

所述的液压支路依次设置有电磁换向阀、双向液压锁和平衡阀。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的整体示意图

图2为本发明实施例1的侧视图

图3为本发明实施例2的整体示意图

图4为本发明实施例2中扰动板组件示意图

图5为本发明采用液压控制单元示意图

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-5所示：

一种内波与气泡相互作用的实验***，包括作为***主体的实验槽1以及设置在实验槽1内部的扰动单元和气泡发生单元。

在实验过程中，实验槽1内至少盛装两层密度不同的介质2和介质3，为了模拟海洋中的内波，一般都是不同密度的盐水，或者由淡水和相应密度盐水组成。

两层介质2和介质3界面上布置扰动板，作为可选的实施方式可选择位于介质界面处的水平扰动板I5，或在底层介质3中布置垂直扰动板4，但要求扰动板4的顶部需接近介质2和介质3的界面。

水平扰动板I5或垂直扰动板4由螺线摆动液压缸6驱动，通过改变液压管线7的液压方向控制螺线摆动液压缸6输出的转动。当采用水平扰动板I5，为了保证水平扰动板I5的高度，处于界面处，需要在水槽1安装支架。可采用高度可调的伸缩支架，在使用垂直扰动板4时，可将支架收起或拆卸。

所述的扰动单元包括扰动板组件，该组件包括一设置在两介质界面的扰动产生模拟内波；同时，气泡发生单元开启，模拟内波和气泡相互作用，模拟气泡保护下潜体模型对内波的响应。

作为优选的实施方式，所述的水平扰动板I5由贯穿该扰动板的驱动轴带动，即扰动板相对于驱动轴轴对称，实验时，有驱动轴带动完成特定角度的转动/摆动。

作为另一个优选的实施方式，所述的垂直扰动板4由贯穿垂直扰动板底边缘的驱动轴带动，完成特定角度的摆动/转动。

作为优选的实施方式，在实施例1中，即矩形实验槽的一段(相对于气泡发生单元和扰动板的另一端)和实施例2中，即半圆形实验槽的横向侧壁分别设置由削波板够成的削波区，避免内波接触实验槽壁而引起误差。

作为优选的实施方式，扰动板组件由液压控制单元控制，如图5所示，优选的实施中，液压控制单元5包括一液压干路35，液压干路35的始端连接一总油箱41，末端并联连接多个液压支路34，每一液压支路34的末端连接一水平扰动板21的螺线摆动液压缸30。在液压干路35上依次设置有一过滤器40、一液压泵39、一溢流阀38、一单向阀37和一三位四通电磁换向阀36。

实施例二也可以用于单向内波实验，此时弧形排列多个螺线摆动缸的转动存在相位差，液压干路与气泡发生装置的启动也存在时间关系，例如，在内波波峰到达时启动气泡发生，还是在内波波谷到达时启动气泡发生。因此设置了干路总控制电磁换向阀，即所述的一三位四通电磁换向阀36。在实际使用过程中，设定好各个支路相位及其启动时间差后，再用所述的一三位四通电磁换向阀36从干路总体控制，保证制造出的内波到达潜体模型时，其相位满足要求。

在每一液压支路34上依次设置有一三位四通电磁换向阀32、一双向液压锁33和一平衡阀31。上述实施例中，水平扰动板21的螺线摆动液压缸30内置有磁致转角传感器。

本发明造内波***还包括一可编程逻辑控制器，各磁致转角传感器以及液压控制单元中的三位四通电磁换向阀36、各三位四通电磁换向阀32均电连接可编程逻辑控制器。

实施例1，所述的实验槽1为矩形。

相应的，本实施例中实验槽1的一端底部底部安装气压管线8和气压软管盘11，气压管线8将气压泵(未画出)气源传递到固定吹泡管9，气压软管盘11将气压泵气源传递到可调节吹泡管10，可调节吹泡管10利用限位器12固定位置。气压软管盘11内部安装有卷簧和棘轮卡子(未画出)拉出的气压软管可以定位和收回。水槽另一端布置消波网14。

实验过程中调节所述可调节吹泡管10的位置，使其与固定吹泡管9的间距与潜体模型13的长度关联，用于研究气泡保护下潜体模型13对内波的响应。单独研究气泡与内波作用时，调节吹泡管10与固定吹泡管9的间距可以与内波波长关联，研究两者之间的相互作用。

实施例2，所述实验槽1的横截面或者竖直正投影为类半圆。

在一个半圆形水池内(水池未画出)，沿半圆周布置螺线摆动液压缸23驱动的水平扰动板21，水平扰动板21经连接框22连接在螺线摆动液压缸23的转动部，螺线摆动液压缸23通过锚固支架24安装到水池池壁上。水池直线边是消波区20。实验中各个螺线摆动液压缸23可以独立控制，模拟来自不同方向的内波。在水池中悬浮浮体模型，研究不同方向的内波作用，包括以下实验内容：研究不同方向的内波叠加场，随机不规则内波场，具有方向谱的内波场；潜浮体在不同方向内波作用下的运动响应；具有发气泡功能的潜浮体对内波场的适应。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种内波与气泡相互作用的实验***，其特征在于包括实验槽、设置在实验槽内的扰动单元和气泡发生单元；

所述的实验槽内部至少包括两层密度不同的介质；

所述的扰动单元包括扰动板组件，该组件包括一设置在两介质界面的扰动产生模拟内波；同时，气泡发生单元开启，模拟内波和气泡相互作用，模拟气泡保护下潜体模型对内波的响应。

2.根据权利要求1所述的内波与气泡相互作用的实验***，其特征还在于：所述的扰动板组件包括一水平扰动板I，该水平扰动板I由贯穿该扰动板的驱动轴带动，完成特定角度的转动/摆动。

3.根据权利要求1所述的内波与气泡相互作用的实验***，其特征还在于：所述的扰动板组件包括一垂直扰动板，该垂直扰动板由贯穿垂直扰动板底边缘的驱动轴带动，完成特定角度的摆动/转动。

4.根据权利要求1所述的内波与气泡相互作用的实验***，其特征还在于：所述的实验槽为矩形。

5.根据权利要求4所述的内波与气泡相互作用的实验***，其特征还在于：所述的气泡发生单元固定在实验槽的一端，在实验槽的另一端设有消波板组成的消波区。

6.根据权利要求5所述的内波与气泡相互作用的实验***，其特征还在于：所述的气泡发生单元至少包括沿实验槽宽度方向设置的相互平行的固定吹泡管和移动吹泡管；

实验过程中，调节固定吹泡管和移动吹泡管的间距，与不同的内波波长关联，研究气泡和内波波长的相互作用。

7.根据权利要求1所述的内波与气泡相互作用的实验***，其特征还在于：所述的实验槽为半圆形或近似半圆形；

多个扰动板组件沿所述实验槽的弧形侧壁排列；

多个沿所述实验槽的底边侧壁的消波板组成所述的消波区；

实验过程中，所述的多个扰动板组件同时或部分工作，模拟不同方向的内波。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的内波与气泡相互作用的实验***，其特征还在于：所述的扰动板组件由液压控制单元控制；

所述的液压控制单元包括：与总油箱连接的液压干路和连接终端螺线摆动液压缸的液压支路；

所述的液压干路依次设置有过滤器、液压泵、溢流阀、单向阀和电磁换向阀；

所述的液压支路依次设置有电磁换向阀、双向液压锁和平衡阀。