一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置的制作方法

本发明涉及环境流体力学领域，尤其涉及一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置。

背景技术：

在海洋、湖泊、湖库等水体系统中，水的温度、盐度等各种参数往往在垂向上出现显著地差异，导致水体在垂向上出现分层现象。水温分层或盐度分层关系着水质与水环境，影响着水体中垂向的物质与颗粒物的输运。分层现象不仅对水生生物的生长与分布有着重大影响，并且影响着水体的水动力过程，进而影响气候与生态。在分层水体之间存在着温度或盐度巨大梯度变化的温度跃层或温盐跃层，特别是在海洋中分层水体的交界面处往往会产生有趣的物理现象。由于分层界面上内波的影响，上下层水体团在水平面上往往具有不一样的运动方向与速度，导致在分层界面处产生剪切流。

真实地模拟分层水体有着重要意义。目前，有很多模拟分层水体的实验装置及方法，中国专利zl201410141258.3提出的“一种密度分层水体的制取方法”，虽然配置简单且易于操作，但是耗时较长，且在界面处容易产生扰动，对结果产生干扰；cn201510262688.5提出的“海洋温盐跃层模拟装置”，虽然形成了温度和盐度剧烈变化的海洋温盐跃层，但是该装置的设计，只能模拟上层水体冷而少盐，下层水体温而多盐的情形，并且该装置不能模拟剪切流，并且其注水过程会对实验水体产生很大的波动。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置，以观测剪切流下分层水体的各水力学参数的变化。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置，包括升降旋转装置、环形水槽和输水装置，所述升降旋转装置包括升降旋转组件、与所述升降旋转组件连接的升降杆、与所述升降杆连接的剪切环以及与所述剪切环连接的抗扰动板，所述输水装置包括第一水箱、第二水箱、与所述第一水箱连接的至少一个第一输水组件以及与所述第二水箱连接的至少一个第二输水组件，所述第一输水组件与所述环形水槽的顶部相连通，所述第二输水组件与所述环形水槽的底部相连通。

本发明一个较佳实施例中，一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置进一步包括所述环形水槽包括底壁、设置在所述底壁上的环形外壁和环形内壁。

本发明一个较佳实施例中，一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置进一步包括所述环形外壁和环形内壁均采用树脂玻璃制成。

本发明一个较佳实施例中，一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置进一步包括所述环形水槽安装在一卡座上。

本发明一个较佳实施例中，一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置进一步包括所述剪切环的外径小于所述环形外壁的内径，所述剪切环的内径大于所述环形内壁的外径。

本发明一个较佳实施例中，一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置进一步包括所述抗扰动板呈环形，所述抗扰动板上开设有多个通孔。

本发明一个较佳实施例中，一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置进一步包括所述抗扰动板采用密度比水小的塑料制成。

本发明一个较佳实施例中，一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置进一步包括所述剪切环与所述抗扰动板之间连接有细绳。

本发明一个较佳实施例中，一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置进一步包括所述升降杆与所述剪切环之间连接有至少两个钢管。

本发明一个较佳实施例中，一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置进一步包括所述第一输水组件包括第一水管、安装在所述第一水管上的第一蠕动泵，所述第二输水组件包括第二水管、安装在所述第二水管上的第二蠕动泵。

本发明具有以下有益效果：

（1）环形水槽的运用，理论上可以模拟无限长的直水槽，无入流与出流边界，不需要回水装置与消能装置；

（2）在分层水体的制取上，抗扰动板的运用，大大减少了分层界面的扰动，使分层界面清晰光滑；

（3）采用第一蠕动泵和第二蠕动泵进行分层水体的制取，可以减少实验周期；

（4）可升降和旋转的剪切环，可以在水体表面施加剪切力，使分层水体存在于剪切流的环境中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的优选实施例的结构示意图；

图2为本发明的优选实施例的环形水槽的结构示意图；

图3为本发明的优选实施例的剪切环与升降杆连接的俯视图；

图4为本发明的优选实施例的抗扰动板的俯视图；

图中：10、环形水槽，12、升降旋转组件，14、升降杆，16、剪切环，18、抗扰动板，20、第一水箱，22、第二水箱，24、底壁，26、环形外壁，28、环形内壁，30、卡座，34、通孔，36、支架，38、气缸，40、活塞杆，42、安装座，44、电机，46、输出轴，48、钢管，50、螺丝，52、细绳，54、第一水管，56、第一蠕动泵，58、第二水管，60、第二蠕动泵。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种模拟剪切流中密度分层水体的环形水槽装置，包括升降旋转装置、环形水槽10和输水装置，升降旋转装置包括升降旋转组件12、与升降旋转组件12连接的升降杆14、与升降杆14连接的剪切环16以及与剪切环16连接的抗扰动板18，剪切环16与抗扰动板18能够放置在环形水槽10内，剪切环16能够在环形水槽10内自由地旋转，输水装置包括第一水箱20、第二水箱22、与第一水箱20连接的至少一个第一输水组件以及与第二水箱22连接的至少一个第二输水组件，第一输水组件与环形水槽10的顶部相连通，第二输水组件与环形水槽10的底部相连通。

如图2所示，本发明优选环形水槽10包括底壁24、设置在底壁24上的环形外壁26和环形内壁28。优选底壁24呈圆形，底壁24、环形外壁26和环形内壁28一体成型，提高环形水槽10的强度，同时避免水流出环形水槽10。环形外壁26和环形内壁28均采用树脂玻璃制成，树脂玻璃隔热且透明，当分层水体具有不同的温度时可以减少装置中温度的耗散，并且透明的环形水槽10方便piv技术测速。本发明优选环形水槽10安装在一卡座30上，可在卡座30上设置圆形凹槽（图中未示出），将环形水槽10卡入圆形凹槽内，提高环形水槽10的稳定性。

本发明优选剪切环16的外径小于环形外壁26的内径，剪切环16的内径大于环形内壁28的外径，剪切环16能够作为环形水槽10的可移动顶盖。进一步优选剪切环16采用树脂玻璃制成。

如图4所示，本发明优选抗扰动板18呈环形，提高对分层界面的抗扰动能力，抗扰动板18上设置有多个通孔34，这样当抗扰动板18被提起时，上层水体可以通过通孔34落入下层水体表层。本发明优选抗扰动板18采用密度比水小的塑料制成。

本发明优选升降旋转组件12包括支架36、安装在支架36上的气缸38、与气缸38的活塞杆40连接的安装座42以及固定在安装座42上的电机44，电机44的输出轴46与升降杆14固定，通过气缸38与电机44的配合，实现升降杆14的升降与旋转，当然并不局限于此种方式，也可以将安装座42与支架36连接，电机44固定在安装座42上，气缸38与电机44的输出轴46连接，活塞杆40与升降杆14连接。升降旋转组件12的设置，可以平稳地将剪切环16放置在环形水槽10上以模拟剪切流，还可以在制取分层水面时将抗扰动板18缓慢地提出水面，减少分层水体制取时对装置产生的扰动。

如图3所示，为了提高升降杆14与剪切环16之间的连接强度，本发明优选升降杆14与剪切环16之间连接有至少两个钢管48。进一步优选钢管48的数量为四个，在剪切环16上设置有四个孔，每个孔安放有螺丝50与钢管48固定。本发明优选剪切环16与抗扰动板18之间连接有细绳52，通过细绳52吊住抗扰动板18，用于分层水体的制取。

本发明优选第一输水组件包括第一水管54、安装在第一水管54上的第一蠕动泵56，第二输水组件包括第二水管58、安装在第二水管58上的第二蠕动泵60，制取好的上层水体存放于第一水箱20中，通过第一蠕动泵56和第一水管54将上层水体输送至环形水槽10内部，制取好的下层水体存放于第二水箱22中，通过第二蠕动泵60和第二水管58将下层水体输送至环形水槽10内部。进一步优选第一输水组件和第二输水组件的数量均为两个，可以加快分层水体的制取速度，缩小实验周期，同时可以使得分层水体更加均匀。两个第一输水组件前后对称设置，图中只示出了一个第一输水组件。

本发明在使用时，通过气缸38控制升降杆14下降，此时抗扰动板18位于环形水槽10底部，打开第二蠕动泵60，将第二水箱22中已配置好的下层水体快速平稳地泵入环形水槽10的环形外壁26与环形内壁28围成的空间内，至所需高度停止，此时关闭第二蠕动泵60，打开第一蠕动泵56，将第一水箱20中1已配置好的上层水体均匀而又快速地泵入环形水槽10的环形外壁26与环形内壁28围成的空间内，此时环形水槽10中逐渐开始分层，待达到所需厚度，关闭第一蠕动泵56，通过气缸38控制升降杆14上升，将细绳52和抗扰动板18取下，分层水体制取完毕，此时，通过气缸38控制升降杆14下降，将剪切环8慢慢放置在水体表面，通过电机44的电机轴46旋转控制升降杆14旋转，带动剪切环8旋转，继而使得环形水槽10中产生由剪切环8驱动的剪切流，从而模拟出剪切流中分层水体。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。