热液羽流模拟装置及模拟方法

摘要

本发明涉及一种便携式热液羽流模拟装置包括盐水水箱、清水水箱、试验水箱、射流流体储备水箱和射流喷头，盐水水箱与清水水箱之间依次连接有第一磁力泵和第一流量计，清水水箱和试验水箱之间依次连接有第二流量计和第二磁力泵，清水水箱和射流流体储备水箱上盖上均设有搅拌器，射流喷头固定在设置于试验水箱上盖上的射流喷头底座内，射流喷头的入流口通过水管接入第三磁力泵后接入设置在射流流体储备水箱下部的第三出水阀。利用本发明热液羽流模拟装置的热液羽流模拟实验主要包括两部分：层结水体的制作和射流流体的喷射实验。本发明热液羽流模拟装置结构简单、使用方便，模拟效果良好。

说明书

技术领域

本发明属于海底热液研究领域，具体涉及一种热液羽流模拟装置及模拟方法。

背景技术

深海热液俗称“黑烟囱”，密度较小的热液流体从喷口喷出后，在初始喷溢动量和其与环境海水的密度差的作用下迅速上升，并在上升过程中通过湍流夹带卷吸入环境海水使其稀释，当稀释后的热液流体密度与环境海水密度相同并且其上升动量减小为零时停止上升，并沿水平方向运动扩散几十乃至几千公里，这段从喷口喷出到停止上升的流体称为热液羽流。热液羽流的物理和化学特性与周围海水区别鲜明，热液羽流现象控制着两种流体的混合过程，影响着两种流体中各类物质的运动状态，最终能够间接地控制各类物质的分布情况。现代海底热液活动及资源效应的研究已成为当前地球科学研究的热点，首先探究热液羽状流的分布及变化特征，有助于确定热泉场及其热液喷口的存在，有助于了解海底地质活动。其次，海底热液喷溢形成的硫化物矿富含金、银、铜等多种金属，且分布比较集中，自然生长速度快，在陆地矿藏资源日益枯竭的形势下，深海硫化物矿逐渐成为最具开采前景的海底矿产资源之一。想要全面了解海底多金属硫化物矿床的形成机理、成分、位置、分布特点等，并对这些潜在资源进行开发，首先就需要了解海底热液活动的分布规律、海底多金属硫化物矿形成的区域分布等相关问题，而要研究这些问题，就首先要对热液羽流的各种物理性质进行研究。

目前海底热液羽流的研究方式主要有两种：实地观测与实验室模拟。由于实地观测需要耗费大量的人力、物力、财力，因此实验室模拟将会是一个理想的研究方式，所以目前亟需一套能够在实验室内使用的热液羽流模拟装置。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟结果可信度较高的实验室用便携式热液羽流模拟装置及利用该装置进行热液羽流模拟实验的实验方法。

为解决上述技术问题，本发明包括盐水水箱、清水水箱、试验水箱、射流流体储备水箱和射流喷头，所述盐水水箱下部设有第一出水阀门，该第一出水阀门通过水管依次接入第一磁力泵和第一流量计后接入清水水箱的进水阀门；所述清水水箱内设置有第一搅拌器，该清水水箱下部设有第二出水阀门，该第二出水阀门通过水管依次接入第二流量计和第二磁力泵后接入试验水箱；所述射流喷头固定在试验水箱上盖所设置的射流喷头底座内，射流喷头的入流口通过水管接入第三磁力泵后接入设置在射流流体储备水箱下部的第三出水阀；所述射流流体储备水箱内设置有第二搅拌器。

作为优选，所述射流喷头的喷射口的口径为5~7mm。

作为优选，所述盐水水箱和清水水箱大小相同且放置于同一水平面上。

作为优选，所述盐水水箱、清水水箱、试验水箱和射流流体储备水箱上盖均为有机玻璃板，所述第一搅拌器通过螺钉固定设置在清水水箱上盖中央位置，所述第二搅拌器通过螺钉固定设置在射流流体储备水箱上盖中央位置。

作为优选，所述第一流量计和第二流量计均为机械流量计。

此外，本发明还提供了一种利用上述装置所进行地热液羽流模拟实验，包括以下步骤：

a.往盐水水箱中注入浓度为90‰~120‰盐水，往清水水箱注入清水，并保持两水箱中水位相平；

b.第一流量计和第二流量计的流速比设为1:1.5~1:2.5；

c.打开第一搅拌器，打开第一出水阀门、第二出水阀门和进水阀门，开启第一磁力泵和第二磁力泵，开始制备层结水体；

d.待试验水箱内的液面浸没射流喷头的喷射口1.5~2.5mm时，关闭第一搅拌器，关闭第一出水阀门、第二出水阀门和进水阀门，关闭第一磁力泵和第二磁力泵；

e.使试验水箱中的水体静止20~50min；

f.将所需的射流流体注入射流流体储备水箱，开启第二搅拌器，开始混合射流流体；

g.待射流流体混合均匀后，打开第三磁力泵并设定其流量，使得射流喷口流速保持在0.15~0.20m/s，打开第三出水阀，保持第二搅拌器开启状态，观察或者利用高速摄像机记录试验水箱内的流体变化。

作为优选，所述步骤f中的射流流体为清水或浓度为5‰~15‰的盐水。

作为优选，所述步骤f中的射流流体中含有浓度为2‰~5‰的纳米示踪粒子。

作为优选，所述步骤g中结合粒子图像测速系统记录试验水箱（13）内纳米示踪粒子的位置及其流动速度。

作为优选，所述纳米示踪粒子为聚苯乙烯颗粒、铝粉或荧光粒子。

本发明的有益效果如下：

1.本发明热液羽流模拟装置结构简单、使用方便、模拟效果良好。

2.热液羽流模拟实验中层结水体的制备为关键步骤之一，本发明采用大小相同且放置于同一水平面上的水箱作为盐水和清水的盛放水箱，通过合理控制两水箱的出水流速及搅拌混匀速度，可在较短时间内制备出较为理想的层结水体，大大节约了实验时间。

3.本发明将海底以温度分层的环境用盐度分层的液体替代，模拟海底液体密度分层的环境，在满足弗劳德数动力相似准则的前提下，用从上往下的射流流体替代从下往上喷射的海底热液，用重力模拟上升流的冲量，用磁力泵和流量计控制流速，能够较为真实地模拟海底热液羽流现象。

4.本发明中在射流流体中加入纳米示踪粒子，与粒子图像测速系统（PIV）等联用，使得实验室热液羽流模拟实验所得数据的准确性更高，研究内容范围更广。

5. 射流喷头的喷射口的口径设为5~7mm，使得流体可有效满足弗劳德数动力相似准则。

6. 清水水箱和射流流体储备水箱内均设有搅拌器，加快流体混合速度，节约时间。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明图1中A-A向剖视图；

图3为本发明图1中B-B向剖视图。

其中，11是盐水水箱；12是清水水箱；13是试验水箱；14是射流流体储备水箱；21是第一流量计；22是第二流量计；31是第一磁力泵；32是第二磁力泵；33是第三磁力泵；41是第一搅拌器；42是第二搅拌器；51是第一出水阀门；52是第二出水阀门；53是进水阀门；54是第三出水阀；6是射流喷头；7是入流口；8是射流喷头底座；9是喷射口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本发明热液羽流模拟装置，包括盐水水箱11、清水水箱12、试验水箱13、射流流体储备水箱14和射流喷头6，其中盐水水箱11和清水水箱12大小相同且紧挨着放置于同一水平面上，盐水水箱11的下部设有第一出水阀门51，清水水箱12中部设有进水阀门53，通过水管依次连接第一出水阀门51、第一磁力泵、第一流量计21和进水阀门53，从而将盐水水箱11和清水水箱12连通。清水水箱12下部设有第二出水阀门52，水管的一端与第二出水阀门52相连，另一端依次接入第二流量计22和第二磁力泵32后接入试验水箱13的进水口。盐水水箱11、清水水箱12、试验水箱13和射流流体储备水箱14上盖均为有机玻璃板，如图1和图2所示，第一搅拌器41通过螺钉固定设置在清水水箱12上盖中央位置，第二搅拌器42通过螺钉固定设置在射流流体储备水箱14上盖中央位置。如图1和图3所示，试验水箱13的上盖上固定设置有射流喷头底座8，该射流喷头底座8由约5mm厚的铸铁板与较大直径的塑料管制成，塑料管四周每隔90°打一个螺孔，射流喷头6包括入流口7、喷射口9和喷头主体部分，将射流喷头6插入射流喷头底座8的塑料管内，用螺丝进行固定。射流喷头6的喷射口9的口径为5~7mm，使用过程中保持喷射口9垂直于试验水箱13的液面，射流喷头6的入流口7通过水管接入第三磁力泵33后接入设置在射流流体储备水箱14下部的第三出水阀54。本发明盐水水箱11、清水水箱12和射流流体储备水箱14的上部或者上盖上设有注水口，且本发明第一流量计21和第二流量计22均采用机械流量计。

相应地，利用本发明热液羽流模拟装置进行热液羽流模拟实验的方法主要包括以下步骤：首先检查热液羽流模拟装置的运作是否正常，准备配制模拟实验所用盐水；再往盐水水箱11中注入浓度为90‰~120‰的盐水，往清水水箱12注入自来水或者蒸馏水，使得最终注水结束后两水箱中水位相平；将第一流量计21和第二流量计22的流速比设为1: 2；然后先打开第一搅拌器41，再依次打开第一出水阀门51、第二出水阀门52和进水阀门53，开启第一磁力泵31和第二磁力泵32，开始制备层结水体；待试验水箱13内的液面浸没射流喷头6的喷射口9约2mm时，依次关闭第一搅拌器41、第一出水阀门51、第二出水阀门52和进水阀门53，关闭第一磁力泵31和第二磁力泵32；使试验水箱13的水体静止约30min；等待试验水箱13的水体静止过程中，将实验所需的含有3‰聚苯乙烯颗粒、铝粉或荧光粒子等纳米示踪粒子的自来水中注入射流流体储备水箱14，开启第二搅拌器42，开始混合射流流体，在接下来的实验过程中一直保持第二搅拌器42为开启状态；待射流流体混合均匀后，打开第三磁力泵33并设定其流量，使得射流喷口6流速保持在0.15~0.20m/s范围内，设置完毕后打开第三出水阀54，使射流流体通过水管与喷射口9后，射入试验水箱13内的层结水体中，利用粒子图像测速系统（PIV）记录试验水箱13内流体中纳米示踪粒子的位置数据。对所得实验数据进行后续处理，从而对所模拟的热液羽流的物理性质进行分析研究。

层结水体的制备是热液羽流模拟实验的关键步骤之一，为说明本发明热液羽流模拟装置制备层结水体的良好效果，本发明进行了5组实验，由于所使用盐的纯度、机械流量计的控制精度等原因导致5组实验条件不完全相同，但五组实验的所采用盐水的初始浓度范围均保持在98‰~112‰之间，第一流量计21和第二流量计22的流速比均保持在1:1.75~1:2.1之间。分别对5组实验中不同水深的盐度进行地测定，并对所测得的不同水深的盐度值进行了线性拟合，结果如表1所示。其中，相关系数表征了与拟合的直线方程的吻合程度，相关系数越接近1表示吻合度越高。由表1可知，5组实验的相关系数均在0.97以上，非常接近1，说明利用本发明装置所制得的层结水体的浓度梯度基本呈线性，本发明层结水体的制备效果非常可靠。

表1 5组实验中实测盐度分布及拟合情况