一种试验水池生成流体密度分层的装置及方法与流程

本发明涉及流体密度分层，尤其是一种试验水池生成流体密度分层的装置及方法。

背景技术：

1、海面受太阳辐射的不均匀加热，以及不同气候带的大气动力学和热力学作用下，各海区海水的温度、盐度和密度都有显著的差异。海水的温度和盐度差异引起了密度层结，这也是全球海洋中普遍存在的现象。我国四大海域陆坡陆架宽阔，地形复杂，纵跨温带、副热带和热带3个气候带，四季交替明显，密度垂向层化特征显著。密度跃层在海洋水团、环流和内波的研究中，是不可忽视的关键因素，具有重要的学术意义。

2、密度稳定层化的海水内部受到扰动就会形成内波。内波属于重力波，在世界范围的海洋中广泛存在，主要有潮流与地形作用生成内波和源致内波。潮成内波就是海洋内潮或海流经过变化地形时生成的内波形式，一般比表面波浪具有更大的波高和波长，其波长甚至可以达数千米。潮成内波蕴含巨大能量，严重影响海上石油钻井平台的结构安全。它能引起等密度面的大振幅波动，使水下航行体大幅度上升或下沉，甚至失去控制，导致艇毁人亡。

3、水下航行体在密度跃层附近运动促成跃层扰动生成内波的形式为典型的源致内波，也称为尾迹内波。水下航行的水下航行体所兴起的内波具有特殊的形态，它的出现会在密度跃层的自由表面产生辐合辐散并导致海洋表面流的变化。在被海洋表面背景波调制后可被sar探测到，从而暴露自身的目标。

4、基于海洋密度跃层对海洋结构物安全性及隐蔽性的重要影响，相关的研究一直受到国内外的格外关注。分层流水池是开展相关模型试验的前提，目前常见的方法是将盐水从水池底部灌入顶部淡水的方式实现实验室中的流体密度层化。该方法目前有三个比较难以解决的问题：

5、(1)制备分层流比较费时。因为盐与水是相溶的物质，不同盐度的水之间也容易相互溶合。制备水池分层流时，为了保证水流没有垂向上冲速度，使盐水沿水槽底部平缓向周围扩散实现流体分层水流，注入盐水时流速很小，因此很费时。开展分层流试验的前期准确时间很长，试验效率较低，严重阻碍着大量、系统分层流模型试验研究的开展。

6、(2)分层流的重复使用率低。分层流水池经常开展的试验包括，水下航行体在分层流中的航行尾迹试验，海洋结构物在分层流中受内孤立波作用的模型试验等。这些试验都会对分层流的界面产生很大扰动，而分层界面上下的淡水与盐水之间是相溶的，因此一两个试验工况之后分层界面就会有明显变化。再次进行试验需要等待较长时间，且分层界面也受到前面试验的影响，与设计的分层界面产生差异。

7、(3)分层流水槽难以大型化。由于前述的分层流制备效率较低，导致目前建设的分层流水槽都很小，相应试验适用的模型尺度也很小。这就导致模型试验的尺度效应太大；同时由于分层流水槽和模型尺度较小，缩比试验测的力、力矩较小，导致测量误差偏大，严重影响试验的精度。

8、因此本发明提出了一种新的实验室生成层化流体的方法及装置，可以解决以上问题。

9、为此我们提出一种试验水池生成流体密度分层的装置及方法。

技术实现思路

1、本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种试验水池生成流体密度分层的装置及方法，通过水池相关装置科学设计与运行控制，达到高效制备所需密度比的两流体密度分层流。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种试验水池生成流体密度分层的装置，包括：

4、试验水池，其内设置有至少两种互不相融并上下分布的流体一和流体二，流体一的密度＜流体二的密度，且流体二的密度可调；

5、流体一储存池，其内储存有流体一，且流体一储存池通过管路与试验水池互通；

6、流体二储存池，其内储存有流体二，且流体二通过采用流体三和溶剂均匀混合而成，且流体二储存池通过管路与试验水池互通；

7、浮球机构，其包括漂浮于流体一上的浮球以及连接在浮球上并延伸至试验水池底壁的浮球定位杆，且浮球与流体一储存池的管道对接，方便控制流体一和流体二的液位高度。

8、进一步的，流体一为油脂，流体二为盐水，流体三为淡水。

9、更进一步的，流体一储存池为储油池，其通过容积泵和截止阀总成与浮球机构相连，且位于该管路上的截止阀总成包括并联的两组分别控制进出的截止阀。

10、进一步的，流体二储存池为盐水池，且盐水池通过注盐水管和盐水回收管分别与试验水池连接控制盐水的高度变化。

11、进一步的，盐水池内设置有进盐管和进水管，调节密度。

12、进一步的，浮球机构还包括相互连接的注排油硬管和注排油软管，注排油硬管延伸至浮球内并通过硬管支架与浮球连接，注排油软管连接在浮球外。

13、进一步的，浮球上开设有上下贯穿的透水孔，浮球定位杆穿设在透水孔上，且在连接处设置有密封圈，使得浮球能够相对浮球定位杆上下滑动。

14、进一步的，试验水池和盐水池内均设置有密度传感器。

15、一种试验水池生成流体密度分层的方法，采用了如权利要求的装置，包括如下步骤：

16、s1流体选择：

17、采用油、盐水来配置分层流；

18、油的密度为ρ1，水的密度为ρ2，分层流的密度比为

19、油的密度ρ1相对比较固定，为了配出试验研究所需的密度比γ，应根据需要调整水的盐度，或者根据需要加入淡水，从而改变下层流体的密度ρ2，实现两层流体密度比的准确配置；

20、s2分层流配置过程

21、初次使用该水池，首先根据设计好的分层流密度比以及水池上下层的厚度h1、h2，计算好盐的质量；之后在盐水池注入淡水，投入盐，待充分搅拌均匀，静置一定时间；

22、根据设计好的下层流体深度，设置好水位，将盐水注入到试验水池中，当盐水的水位达到预定的下层流体的厚度h2之后，关闭注水泵和截止阀总成，停止注入盐水；下层盐水注好以后稍作静置；

23、在通过储油池向试验水池之间注油、排油，当上层油的厚度达到h之后关闭容积泵；

24、从而实现了水池的初次分层流配置。

25、更进一步的，在调整密度比时，不同密度的盐水调整是在盐水池中进行的，首先将试验水池中的盐水通过截止阀总成、注水泵和盐水回收管排入盐水池中，再分别通过注入淡水或工业盐的方式调整盐水池中盐水的密度。

26、本发明的有益效果如下：

27、本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过采用油和水这两种不相溶的物质来制备分层流。通过水池相关装置科学设计与运行控制，达到高效制备所需密度比的两流体密度分层流。本发明可以解决分层流低效、重复使用率低等技术难题。本发明可为水下航行体在分层流中的尾迹研究以及分层流水池内孤立波影响的大量研究提供便捷的试验基础。

28、同时，本发明还具备如下优点：

29、(1)本发明提出了一种新的分层流制备方法。由于两种液体互不相溶，界面清晰，在水池注入流体过程中可以快速进行，显著减少了分层流的制备时间，提高了分层流水池模型试验的前期准备效率。

30、(2)采用本发明后，一个模型试验工况做完，受到局部扰动的两层流体会快速自动恢复成初始分层状态，大大提高分层流的试验重复利用率。

31、(3)采用本发明后，能够便捷的制备出各种密度比的层化流体，可以实现分层水池的大型化，从而提高试验精度、减小模型试验的尺度效应。

32、(4)本发明为上下两层不同密度流体水池，可以在本发明的基础上进行扩展成多层不同密度流体层水池，原理与本发明一样。