一种零输运模拟产生均匀各向同性可调海洋湍流的实验装置的制作方法

本实用新型属于海洋环境模拟实验装置领域，特别涉及该领域中的一种零输运模拟产生均匀各向同性可调海洋湍流的实验装置。

背景技术：

在宏观层面，海水的流动是杂乱无章的，随时受到风、浪、流等不同大尺度扰动的共同作用，表现为时间和空间上的随机性和无序性，但是在微观层面，海水又无时无刻不在做着湍流运动，海洋湍流具有均匀和各向同性的特点。海洋湍流既能增强海水间动量和热量的交换，也能促进有机物和盐分等物质在海水中的扩散，海水中的颗粒物质、微小生命体在海洋湍流的作用下被排挤、碰撞和变形，因此研究海洋湍流对海水中微小生命体的影响具有十分重要的科研意义，而在进行研究之前需要解决在实验室环境下模拟海洋湍流的同时实现对海洋湍流和海水中微小生命体的耦合观测，实验过程中模拟出的海洋湍流要求均匀各向同性，并且在观测过程中不能有外部物质输入实验装置以干扰观测结果。

目前国内外在实验室环境下模拟气体湍流的技术比较成熟，一般在风洞内进行，通过对称布置激励的方式，在结构中心区域可产生近似均匀和各向同性的湍流，并且保证了气体介质局限在一定范围内，激励方式包括扬声器和风扇，统计上的各向同性由风洞内的栅格实现和控制。但是目前还缺乏在水体环境中模拟实现各向同性湍流的实验设备，另外以上的方法在气体介质循环过程中存在外来物质输入实验装置内的情况，这种输入会影响实验装置内的生态，不利于实验装置内微小生命体的生存，干扰观测结果。

中国发明专利申请CN102435416A公开了一种强迫各向同性湍流实验装置，其电机设置在底架的底端，第一皮带轮设置在第一支撑板上，第二皮带轮设置在第三支撑板上，第一皮带轮与第二皮带轮之间通过同步带连接，第一偏心凸轮偏心穿设在第一传动轴上，第一连接杆的一端与第一网格连接，第一连接杆的另一端穿过水箱与第一偏心凸轮转动连接，第二偏心凸轮偏心穿设在第二传动轴上，第二连接杆的一端与第二网格连接，第二连接杆的另一端穿过水箱与第二偏心凸轮转动连接。该实验装置虽然可以用于液体实验，但是直接将第一网格和第二网格置入水箱中往复运动以产生各向同性湍流的方式，对水箱中的微小生命体影响太大，无法实现对湍流和微小生命体的耦合观测。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种可以对海洋湍流及其中的微小生命体进行实时耦合观测的零输运模拟产生均匀各向同性可调海洋湍流的实验装置及方法。

本实用新型采用如下技术方案：

一种零输运模拟产生均匀各向同性可调海洋湍流的实验装置，其改进之处在于：所述的装置包括立方体形的水槽，水槽的顶部可以打开以便注水，在水槽的前、后、左、右四个侧面各设置一根激励管道，所述的激励管道一端与水槽相通，另一端密封，在密封端内设置一个磁力转子，密封端外则设置一台磁力搅拌器，所述磁力搅拌器内的永磁体朝向密封端面与密封端内的磁力转子相对。

进一步的，所述水槽的顶部设置与外部成像装置电连接的CCD相机，水槽的底部安装承载支架，所述的承载支架包括用于安装水槽的顶部支撑部，该顶部支撑部通过中空的支撑柱与支架底座相连接，所述支撑柱的表面沿横向方向均匀分布一排透光通孔，以便光源发出的光透过通孔照射设置在中空支撑柱内的转折棱镜，该转折棱镜再将光源发出的光转入水槽。

进一步的，所述承载支架的顶部支撑部和支架底座的横向截面形状均为圆形，支撑柱为圆柱形，并且在顶部支撑部和支架底座表面均有通孔以便使支撑柱的中空部分与外界相通。

进一步的，所述的光源为激光。

进一步的，所述支架底座和各台磁力搅拌器的底部均安装有高度调节装置。

进一步的，所述的高度调节装置包括方形底座，在方形底座的四个顶点上各竖向安装一根带滑槽的铝型材，滑块通过活动螺栓安装在滑槽上，松开活动螺栓时，滑块可沿滑槽滑动，拧紧活动螺栓后，滑块即在滑槽上固定，四根铝型材上的滑块形成一个高度可调的平台以便容纳支架底座或磁力搅拌器。

进一步的，所述各台磁力搅拌器底部的高度调节装置均与支架底座底部的高度调节装置固定连接。

进一步的，所述制作水槽和激励管道的材料为亚克力。

进一步的，在所述的激励管道内设置栅格，并且在激励管道与水槽的连接处设置密封圈密封。

一种零输运模拟产生均匀各向同性可调海洋湍流的实验方法，使用上述的装置，其改进之处在于：向水槽注水后，启动前、后、左、右四台磁力搅拌器并将他们的永磁体转速调至一致，在磁力的作用下使激励管道内的磁力转子沿密封端面同与其相对的永磁体同步旋转，磁力转子在旋转的过程中对激励管道内的水进行搅拌使水流混乱，四个方向强度相当的混乱水流在水槽中心处汇集、碰撞，但是水槽内的水与水槽外没有循环，因此没有物质的输入，从而在水槽中心形成零输运均匀各向同性可调海洋湍流。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所公开的实验装置，利用磁力搅拌器和磁力转子的配合向水槽内输入前、后、左、右四个强度相当的激励，由于水槽的结构对称，从而在水槽中心形成均匀各向同性的海洋湍流，将需要观测的微小生命体，例如海洋浮游生物放入水槽内，即可实现对海洋湍流及其中的微小生命体进行实时耦合观测。在模拟形成海洋湍流的过程中，磁力搅拌器和磁力转子完全隔离，水槽内的水与水槽外没有循环，构成没有外界物质，特别是没有外界生物输入的零输运状态，不会因为影响实验装置内的生态而干扰对微小生命体的观测。

本实用新型所公开的实验装置，可以在水槽的顶部和底部分别设置相应的光学仪器，例如CCD相机及与之配合的转折棱镜，实现对水槽内的观测。安装在水槽底部的承载支架，其顶部支撑部和支架底座表面均有与支撑柱的中空部分相通的通孔，既方便向支撑柱内安装转折棱镜及转折棱镜将光源发出的光转入水槽，又可以做定位孔方便承载支架与其顶部水槽、底部高度调节装置之间的安装固定。

本实用新型所公开的实验装置，支架底座和各台磁力搅拌器的底部均安装有高度调节装置，以便根据实验需要随时调整水槽及磁力搅拌器的高度。高度调节装置之间固定连接可以使整个实验装置更加牢固，防止实验过程中的晃动干扰观测。在激励管道与水槽的连接处设置密封圈密封，防止水槽内的水泄漏。

本实用新型所公开的实验方法，可以通过调整磁力搅拌器永磁体的转速，改变输入水槽的激励大小，模拟产生可调海洋湍流。

附图说明

图1是本实用新型所公开水槽的俯视结构示意图；

图2A是本实用新型所公开的激励输入水槽的平面方向示意图；

图2B是本实用新型所公开的激励输入水槽的立体方向示意图；

图3是本实用新型所公开的向水槽内输入激励的原理示意图；

图4是本实用新型所公开的水槽安装承载支架后的主视示意图；

图5是本实用新型所公开的水槽安装承载支架后的右视示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种零输运模拟产生均匀各向同性可调海洋湍流的实验装置，所述的装置包括立方体形的水槽1，水槽的顶部可以打开以便注水，在水槽1的前、后、左、右四个侧面各设置一根激励管道2，所述的激励管道一端与水槽相通，另一端密封，在密封端内设置一个磁力转子，密封端外则设置一台磁力搅拌器，所述磁力搅拌器内的永磁体朝向密封端面与密封端内的磁力转子相对。

所述制作水槽和激励管道的材料为亚克力。该材料适用于海水等液体介质，可耐腐蚀。

具体地说，水槽的结构尺寸可以是：长宽高各为190mm，板材厚度20mm，容量150*150*150mm。激励管道长度80mm，直径60mm，水槽的各个亚克力板之间以亚克力胶粘接，激励管道与水槽采取机械连接方式。

在所述的激励管道内设置栅格，并且在激励管道与水槽的连接处设置密封圈密封。

具体的说，本实施例所公开的实验装置包括主体部分（水槽）和激励部分（磁力搅拌器），激励输入水槽的方向如图2A、2B所示，由于水槽的结构对称，从而在水槽中心形成均匀各向同性的海洋湍流。水槽的顶部和底部不安装激励，以便为安装光学仪器预留位置。激励原理如图3所示，磁力搅拌器3内的永磁体31和磁力转子4之间通过磁力相互吸引，永磁体31旋转即可带动磁力转子4沿密封端面21同步旋转，将激励输入水槽，这种方式不但激励输出稳定，而且对激励管道内的水进行搅拌的效果明显。

如图4-5所示，作为一种可供选择的方式，在本实施例中，所述水槽的顶部设置与外部成像装置电连接的CCD相机，水槽1的底部安装承载支架5，所述的承载支架5包括用于安装水槽的顶部支撑部51，该顶部支撑部51通过中空的支撑柱52与支架底座53相连接，所述支撑柱52的表面沿横向方向均匀分布一排透光通孔521，以便光源发出的光透过通孔照射设置在中空支撑柱内的转折棱镜，该转折棱镜再将光源发出的光转入水槽。所述承载支架的顶部支撑部和支架底座的横向截面形状均为圆形，支撑柱为圆柱形，并且在顶部支撑部和支架底座表面均有通孔以便使支撑柱的中空部分与外界相通。所述的光源为激光。

在实际实验过程中，还可以在顶部支撑部上铺设一层软垫以安放水槽，以防水槽碰坏。

作为一种可供选择的方式，在本实施例中，所述支架底座和各台磁力搅拌器的底部均安装有高度调节装置。所述的高度调节装置包括方形底座，在方形底座的四个顶点上各竖向安装一根带滑槽的铝型材，滑块通过活动螺栓安装在滑槽上，松开活动螺栓时，滑块可沿滑槽滑动，拧紧活动螺栓后，滑块即在滑槽上固定，四根铝型材上的滑块形成一个高度可调的平台以便容纳支架底座或磁力搅拌器。在实际实验过程中也可以在平台上垫一块平板以便放置支架底座或磁力搅拌器。

所述各台磁力搅拌器底部的高度调节装置均与支架底座底部的高度调节装置固定连接。

本实施例还公开了一种零输运模拟产生均匀各向同性可调海洋湍流的实验方法，使用上述的装置，向水槽注水后，启动前、后、左、右四台磁力搅拌器并将他们的永磁体转速调至一致，在磁力的作用下使激励管道内的磁力转子沿密封端面同与其相对的永磁体同步旋转，磁力转子在旋转的过程中对激励管道内的水进行搅拌使水流混乱，四个方向强度相当的混乱水流在水槽中心处汇集、碰撞，但是水槽内的水与水槽外没有循环，因此没有物质的输入，从而在水槽中心形成零输运均匀各向同性可调海洋湍流。形成的湍流具有统计均匀和各向同性的性质，并且对水槽没有物质输运，水槽中心处各向平均速度为零，保证水槽内的微小生命体驻留在光学仪器观测视场内。

具体的说，磁力搅拌器电源可以采用单相交流电50HZ，220V±10V，电动功率为30W。可对其永磁体转速进行调节，采用无级调速方式，最大转速2000转/分，满足实验需要。