[發明專利]一種零輸運模擬產生均勻各向同性可調海洋湍流的實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201710001768.4
• 申請日: 2017-01-03
• 公開（公告）號: CN106768842B
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發明（設計）人: 曹露潔;董孟嘉;曹丹;李倫
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 孫靜雅

本發明公開了一種零輸運模擬產生均勻各向同性可調海洋湍流的實驗裝置及方法，所述的裝置包括立方體形的水槽，水槽的頂部可以打開以便注水，在水槽的前、后、左、右四個側面各設置一根激勵管道，所述的激勵管道一端與水槽相通，另一端密封，在密封端內設置一個磁力轉子，密封端外則設置一臺磁力攪拌器，所述磁力攪拌器內的永磁體朝向密封端面與密封端內的磁力轉子相對。本發明所公開的實驗裝置，利用磁力攪拌器和磁力轉子的配合向水槽內輸入前、后、左、右四個強度相當的激勵，由于水槽的結構對稱，從而在水槽中心形成均勻各向同性的海洋湍流，將需要觀測的微小生命體，例如海洋浮游生物放入水槽內，即可實現對海洋湍流及其中的微小生命體進行實時耦合觀測。

技術領域

本發明屬于海洋環境模擬實驗裝置領域，特別涉及該領域中的一種零輸運模擬產生均勻各向同性可調海洋湍流的實驗裝置及方法。

背景技術

在宏觀層面，海水的流動是雜亂無章的，隨時受到風、浪、流等不同大尺度擾動的共同作用，表現為時間和空間上的隨機性和無序性，但是在微觀層面，海水又無時無刻不在做著湍流運動，海洋湍流具有均勻和各向同性的特點。海洋湍流既能增強海水間動量和熱量的交換，也能促進有機物和鹽分等物質在海水中的擴散，海水中的顆粒物質、微小生命體在海洋湍流的作用下被排擠、碰撞和變形，因此研究海洋湍流對海水中微小生命體的影響具有十分重要的科研意義，而在進行研究之前需要解決在實驗室環境下模擬海洋湍流的同時實現對海洋湍流和海水中微小生命體的耦合觀測，實驗過程中模擬出的海洋湍流要求均勻各向同性，并且在觀測過程中不能有外部物質輸入實驗裝置以干擾觀測結果。

目前國內外在實驗室環境下模擬氣體湍流的技術比較成熟，一般在風洞內進行，通過對稱布置激勵的方式，在結構中心區域可產生近似均勻和各向同性的湍流，并且保證了氣體介質局限在一定范圍內，激勵方式包括揚聲器和風扇，統計上的各向同性由風洞內的柵格實現和控制。但是目前還缺乏在水體環境中模擬實現各向同性湍流的實驗設備，另外以上的方法在氣體介質循環過程中存在外來物質輸入實驗裝置內的情況，這種輸入會影響實驗裝置內的生態，不利于實驗裝置內微小生命體的生存，干擾觀測結果。

中國發明專利申請CN102435416A公開了一種強迫各向同性湍流實驗裝置，其電機設置在底架的底端，第一皮帶輪設置在第一支撐板上，第二皮帶輪設置在第三支撐板上，第一皮帶輪與第二皮帶輪之間通過同步帶連接，第一偏心凸輪偏心穿設在第一傳動軸上，第一連接桿的一端與第一網格連接，第一連接桿的另一端穿過水箱與第一偏心凸輪轉動連接，第二偏心凸輪偏心穿設在第二傳動軸上，第二連接桿的一端與第二網格連接，第二連接桿的另一端穿過水箱與第二偏心凸輪轉動連接。該實驗裝置雖然可以用于液體實驗，但是直接將第一網格和第二網格置入水箱中往復運動以產生各向同性湍流的方式，對水箱中的微小生命體影響太大，無法實現對湍流和微小生命體的耦合觀測。

發明內容

本發明所要解決的技術問題就是提供一種可以對海洋湍流及其中的微小生命體進行實時耦合觀測的零輸運模擬產生均勻各向同性可調海洋湍流的實驗裝置及方法。

本發明采用如下技術方案：

一種零輸運模擬產生均勻各向同性可調海洋湍流的實驗裝置，其改進之處在于：所述的裝置包括立方體形的水槽，水槽的頂部可以打開以便注水，在水槽的前、后、左、右四個側面各設置一根激勵管道，所述的激勵管道一端與水槽相通，另一端密封，在密封端內設置一個磁力轉子，密封端外則設置一臺磁力攪拌器，所述磁力攪拌器內的永磁體朝向密封端面與密封端內的磁力轉子相對。

進一步的，所述水槽的頂部設置與外部成像裝置電連接的CCD相機，水槽的底部安裝承載支架，所述的承載支架包括用于安裝水槽的頂部支撐部，該頂部支撐部通過中空的支撐柱與支架底座相連接，所述支撐柱的表面沿橫向方向均勻分布一排透光通孔，以便光源發出的光透過通孔照射設置在中空支撐柱內的轉折棱鏡，該轉折棱鏡再將光源發出的光轉入水槽。

進一步的，所述承載支架的頂部支撐部和支架底座的橫向截面形狀均為圓形，支撐柱為圓柱形，并且在頂部支撐部和支架底座表面均有通孔以便使支撐柱的中空部分與外界相通。