一种小型科氏效应海洋模拟系统 |
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| 申请号 | CN202310581040.9 | 申请日 | 2023-05-23 | 公开(公告)号 | CN116564157A | 公开(公告)日 | 2023-08-08 |
| 申请人 | 青岛南森海洋科技有限公司; | 发明人 | 付国峰; 于宇君; 李希东; 杨凯旋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及教学型地转实验平台技术领域，尤其涉及一种小型科氏效应海洋模拟系统，模拟系统包括转台设备和 控制器 ，转台设备包括相机、相机 支架 、 水 槽、水槽 底板 和旋转 台面 ，相机通过相机支架固定在旋转台面上，水槽安装在旋转台面上，水槽底板铺设在水槽的底部；控制器用于控制转台设备，使得转台设备按照一定的曲线和速度旋转来模拟真实海洋 流体 运动。本发明通过机械结构优化，控制系统优化，使得转台可以快速、平稳旋转，转速脉动极小，完全满足各类地转实验的要求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种小型科氏效应海洋模拟系统，其特征在于：所述模拟系统包括转台设备和控制器，所述的转台设备包括相机(1)、相机支架(2)、水槽(3)、水槽底板(4)和旋转台面(5)，相机(1)通过相机支架(2)固定在旋转台面(5)上，所述的水槽(3)安装在旋转台面(5)上，水槽底板(4)铺设在水槽(3)的底部；控制器用于控制转台设备，使得转台设备按照一定的曲线和速度旋转来模拟真实海洋流体运动。 |
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| 说明书全文 | 一种小型科氏效应海洋模拟系统技术领域[0001] 本发明涉及教学型地转实验平台技术领域，尤其涉及一种小型科氏效应海洋模拟系统。 背景技术[0002] 由于自转的存在，地球并非一个惯性系，而是一个转动参照系，因而地面上质点的运动会受到科里奥利力的影响，这就导致了海洋大尺度运动现象区别于普通惯性系运动现象，大多数学生对大尺度运动现象很难准确了解，也就成了海洋动力教学的难点。在地球科学领域的研究中，必须引入科氏力。 [0003] 转台模拟实验就是依据相似原理把流体流动原型按一定比例缩小制成模型，模拟与实际情况相似的流体进行观测和分析研究，然后将模型试验的成果换算和应用到原型中，分析判断原型的情况。其中的关键问题是需要保持模型流体和原型流体保持流动相似，即两个流动的相应点上的同名物理量(如速度、压强、各种作用力等)具有各自的固定比例关系，则这两个流动就是相似的。为了保证实验室模拟与大洋中的实际海洋运动保持一致，因此需要保证实验中无量纲参数与真实海洋的无量纲参数在同一量级。 [0004] 现在技术的缺点： [0005] 1、现有转台多为大型地转平台，不方便进行各类实验，实验实施非常繁琐，且不易得到理想结果。 [0007] 3、现有转台功能性差，智能化低，实验可视化无法实现。 发明内容[0008] 本发明提供了一种小型科氏效应海洋模拟系统，通过机械结构优化，控制系统优化，使得转台可以快速、平稳旋转，转速脉动极小，完全满足各类地转实验的要求。 [0009] 为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是，一种小型科氏效应海洋模拟系统，模拟系统包括转台设备和控制器，转台设备包括相机、相机支架、水槽、水槽底板和旋转台面，相机通过相机支架固定在旋转台面上，水槽安装在旋转台面上，水槽底板铺设在水槽的底部；控制器用于控制转台设备，使得转台设备按照一定的曲线和速度旋转来模拟真实海洋流体运动。 [0010] 作为本发明的优化方案，通过相机支架调节相机与水槽的相对高度，从而调节相机的视场；水槽为高透明板，水槽底板为白色水槽底板。 [0012] 作为本发明的优化方案，转台设备还包括电源信号箱、转台信号接口和转台控制接口，电源信号箱安装在旋转台面的下方，电源信号箱包括一路千兆网和两路直流12V电源；转台基座包括电机和电滑环，转台信号接口通过与千兆网通过电滑环连通，转台控制接口为转台设备与控制器的通信接口。 [0013] 作为本发明的优化方案，控制器包括速度显示器和调速器，速度显示器用于显示转台设备的速度及速度变化率，调速器用于调节转台设备的旋转速度。 [0015] 本发明具有积极的效果：1)本发明通过机械结构优化，控制系统优化，使得转台可以快速、平稳旋转，转速脉动极小，完全满足各类地转实验的要求。并且本发明通过保持无量纲化参数的一致性来模拟真实海洋流体运动，同时可以通过控制水深、地形坡度、转台转速来模拟不同场景下的各类地球流体力学现象。另外，本发明针对现有设备智能化低的特点，设计了专用信号传输和控制系统，可以使转台实现各类旋转，并可以实时记录并显示实验过程和结果，实现实验可视化；附图说明 [0016] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0017] 图1是本发明转台设备的结构示意图； [0018] 图2是控制器的整体结构示意图； [0019] 图3是控制器的正面示意图； [0020] 图4是控制器的背面示意图； [0022] 图6是海洋热成风高速“花瓣”结构示意图； [0023] 图7是罗斯贝波实验预期现象示意图； [0024] 其中：1、相机，2、相机支架，3、水槽，4、水槽底板，5、旋转台面，6、电源信号箱，7、转台基座，8、转台信号接口，9、转台控制接口，21、速度显示器，22、调速器，23、转台电源开关，24、设备电源开关，25、信号接口，26、控制接口。 具体实施方式[0025] 如图1所示，本发明公开了一种小型科氏效应海洋模拟系统，模拟系统包括转台设备和控制器，转台设备包括相机1、相机支架2、水槽3(盛装实验用水)、水槽底板4和旋转台面5，相机1通过相机支架2固定在旋转台面5上，水槽3安装在旋转台面5上，水槽底板4铺设在水槽3的底部；控制器用于控制转台设备，使得转台设备按照一定的曲线和速度旋转来模拟真实海洋流体运动。 [0026] 相机1通过相机支架2固定在旋转台面5上，可同旋转台面5同步旋转；相机支架2采用铝型材搭建，可根据不同实验调节相机1与水槽3的相对高度，进而调节相机1的视场大小。水槽3为高透明材料，底部铺设白色水槽底板4。 [0027] 电源信号箱6安装在旋转台面5下，可同旋转台面5同步旋转，内部包括一路千兆网和两路直流12V电源，便于同转台设备上用电设备供电及信号传输；转台基座7包括电机和电滑环，转台信号接口8通过与千兆网通过电滑环连通，转台控制接口9为转台设备与控制器的通信接口 [0028] 如图2‑4所示，控制器：控制器主要用于转台控制及设备通信。速度显示器21用于显示转台设备的速度及速度变化率；调速器22用于调节转台设备的旋转速度；转台电源开关23和设备电源开关用于设备供电；信号接口25为转台外空接口，连接PC可外部控制转台，实现各类曲线旋转。控制接口26通过专用线缆与转台控制接口9相连。 [0029] 实验可视化实现：相机1可沿相机支架2调节其与水槽3的距离，进而调节相机1的视场。相机1通过网络线缆与电源信号箱6中网络接口连接。电源信号箱6中网络接口通过转台基座7内部电滑环与转台信号接口8连接。实验人员即可通过网络线缆由转台信号接口8连接PC，通过专用相机软件，记录转台旋转过程的实验过程和结果，实现实验可视化。 [0030] 转台智能化实现：控制器通过控制器上的控制接口26，连接转台上转台控制接口9。并将控制器上信号接口25通过网络线缆连接PC，通过专用软件或二次开发实现转台智能化旋转。 [0031] 为了模拟出类似大洋中的黑潮，根据相似性原理需要考虑的无量纲参数为罗斯贝数R0。通过比较实际大洋中黑潮的罗斯贝数与实验设计的罗斯贝数，如果两者在同一量级，那么可以证明实验与真实海洋相似，实验模拟的结果具有参考意义(如下表所示，无量纲参数R0与δI/δM即为无量纲参数，实验1‑15均与实际黑潮保持在同一量级)。 [0032] [0033] 以海洋热成风实验为例，通过水槽内水体温度水平梯度变化，利用地转实验平台进定性模拟热成风现象。热成风是铅直方向上两等压面上地转风的矢量差。之所以叫热成风，是因为这种地转风的垂直变化率是由在等压面上的温度水平梯度决定，即由水平方向上的冷热不均匀性所产生。由热成风的定义和性质可知，北半球中纬度地区的高空风为西风的原因正是热成风的存在。因为高空风遵循“准地转平衡”，即水平科氏力和“水平气压梯度力”平衡，所以高空风几乎就是地转风。然而，因为自西向东的热成风的存在，使得地转风从底层到高层渐渐地也自西向东吹，这样北半球中纬度地区高空风吹的就是西风。 [0034] 实验室模拟热成风：大气正压，地转风垂向上没有变化，无热成风，斜压大气中存在热成风。在转台中心放入冰桶，则等密面和等压面相交，形成斜压大气。冰桶周围，水降温密度增大下沉，转台外围温度高密度低，在中间冷水的驱动下转台内形成表层辐聚底层辐散的铅直向环流，表层环流向转台中心流动时受科氏力右偏。地转效应由转台实现，并可通过信号传输和控制系统，使转台实现各类旋转，并可以实时记录并显示实验过程和结果，实现实验可视化。 [0035] 同时本发明中的转台还可以依据放置水底不同的地形形状、粗糙度等进行罗斯贝波、涡旋等海洋模拟实验。 [0036] Rossby波是一种低频、水平横向波。满足大尺度、准地转运动，满足静力平衡、准水平无辐散、流体不可压缩等。科氏参数f＝2Ωsinφ，(其中：Ω为地球旋转速率，φ为地理纬度)它反映了地转效应随纬度的变化，但它的方向与地球转轴平行，当运动尺度L< [0037] 若把地球表面近似看成平面，即假定f不随纬度变化(f＝常数)，这种近似称为f平面近似。此时β随平面的高度比变化。如果考虑地球的球面形，即把地球表面仍然当作平面，又考虑f水纬度变化β≠0，这种近似称作β平面近似，对浅水假设： [0038] [0039] 式中hB为底面地形高度，D为静止浅水厚度。因此，f平面上的地形Rossby波，相当于β平面上的等深流体的Rossby波。这就使得利用旋转平台模拟地球流体运动的实验成为可能。只要旋转水槽的底面是倾斜的，在动力学上就相当于引进了β作用。 [0040] 该波动由β效应引起。假设流动处于稳定状态，初始小扰动使得流体柱y方向上的速度得到改变，根据等深流体柱涡度守恒原理，流体向北运动时，由于β效应，绝对涡度ζ增大，为保持涡度守恒，相对涡度f减小，且流动向右偏转，形成一种向南弯转运动的趋势。同理，流体向南运动时，相对涡度增大，形成一种向北弯转的趋势。这种往复运动即为一个简谐波动所共有的特征。这种纬向波动就是Rossby波。 [0041] 实验前经过长时间的匀速旋转,圆型水槽内的水体相对转台成为“静止”的,即水体旋转“刚化”。根据泰勒柱理论,不可压缩均质旋转流体的流速具有垂向一致性。每一个水平流体层的流场情况都是一致的,用gopro拍摄到的水面流场的状态完全可以代表内部流场的状态 [0042] 实验流程(以海洋热成风、罗斯贝波为例)： [0043] 海洋热成风： [0044] (1)实验前将铝桶中倒入2/3体积的水，放入冰箱中冷冻，注意水量不能过多，否则容易将铝瓶冻裂； [0045] (2)将染料与适量淡水混合(降低染料密度，染料在淡水中悬浮，观察效果更好)； [0046] (3)将圆形框放入实验水槽，加水至15cm深； [0047] (4)从冰箱中拿出冰桶，将冰桶放置到水槽中心； [0048] (5)打开相机，调整视野，连接投影仪，转台通电，开始旋转，转速0.5r/min； [0049] (6)等待25min后，开始录像，向水槽中两侧加入少量高锰酸钾，距离圆心1/2半径处滴加一滴染料，观察现象； [0050] (7)调节转速，4r/min； [0051] (8)等待25min后，向水槽中加入蓝色及红色的染料，观察现象； [0052] (9)倒掉实验用水，清洗水槽； [0053] 实验现象： [0054] 低速“剪切”结构，如图5所示。 [0055] 高速“花瓣”结构，如图6所示。 [0056] 罗斯贝波： [0057] (1)配备足量的1.02g/cm3的淡盐水； [0058] (2)将白色底板、圆柱水槽、圆锥地形放入水槽中，加淡盐水至水深约15cm(水面高出地形1‑3cm)； [0059] (3)打开GoPro，调整视野，连接投影仪； [0060] (4)以9r/min旋转转台(逆时针)，刚化20分钟； [0061] (5)开始录像，在水槽中滴加三到四种不同颜色的染料(成同心环形加入)； [0062] (6)观察染料经过凸起后，染料轨迹的变化。 [0063] (7)观察rossby波传播的情况(过程大概需要5min左右)； [0064] (7)倒掉实验用水，清洗水槽； [0065] (8)从GoPro中导出实验视频，观察现象并分析，计算Rossby数，理论与实际进行对比。实验预期现象如图7所示。 |
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