一种模拟无限循环孤立波诱发海床压力水槽装置及其方法

摘要

本发明公开了一种模拟无限循环孤立波诱发海床压力的水槽装置，包括水槽、孤立波模型、机械传动系统。水槽为透明玻璃制成，使用胶条将四块玻璃密封，密封处使用金属框架固定，使其成为水槽整体，水槽内铺设人工海床，海床内埋设一组孔压传感器。孤立波模型为基于KdV方程制作的中空轻质塑料体，塑料体外形由KdV方程和水槽尺寸确定，内部可注入不同密度液体，上端有连接环并与滑轨相连。机械传动系统由伺服电机、固定轮、绳索和滑轨组成，伺服电机通过绳索带动孤立波模型沿滑轨运动。本发明结构简单，操作方便，可以通过孤立波模型的运动,来实现孤立波诱发海床压力的无限次循环作用，克服室内实验分层水体易混合的缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程地质与水动力学实验研究领域，具体而言，特别涉及一种模拟无限循环孤立波诱发海床压力水槽装置及其方法。

背景技术

孤立波是发生在密度稳定层结海水中的一种波动，频率介于惯性频率和浮频率二者之间，半波特征宽度可达几十公里，而作用周期最长可达几十个小时。孤立波是一种特殊的非线性内波，发生在海洋内部密度不均匀水层间，几乎能够贯穿海洋全深度，具有周期短、振幅大、流速强、传播速度快等特点，其速度、波形在传播过程中基本保持不变，对海上油气开采、海洋工程、水下航行等都有重要的影响。

实验室常用来模拟孤立波产生的方法有重力塌陷法和推板式造波法，已有的方法重复性均较差，实验开始后分层水之间混合特别严重，水槽内最多生成十几个孤立波。目前,急需一种可以无限循环孤立波诱发海床压力的水槽装置，来模拟孤立波的多次作用过程。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种模拟无限循环孤立波诱发海床压力水槽装置及其方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种模拟无限循环孤立波诱发海床压力水槽装置，包括水槽以及安装在水槽顶部的机械传动系统。其中，机械传动系统包括伺服电机、固定轮、绳索和滑轨，伺服电机固定安装在水槽顶部一端，固定轮通过固定架固定安装在水槽顶部的另一端，伺服电机与固定轮之间通过绳索连接，绳索通过伺服电机提供动力，绳索下方装有滑轨，绳索上通过连接环连接孤立波模型，伺服电机通过绳索带动孤立波模型沿滑轨运动，水槽内底部一端铺设人工海床，人工海床内埋设孔压传感器。

作为优选方案，水槽的四壁为透明玻璃，透明玻璃通过胶条将四块透明玻璃密封，并且密封处使用金属框架固定。

作为优选方案，孤立波模型的外形由KdV方程和水槽尺寸计算确定，可制成符合KdV方程的多种形态的孤立波模型，计算公式如下：

其中,

进一步地，孤立波模型的外壳材质为轻质塑料材料，孤立波模型的内部中空，顶部设有注水孔。

作为优选方案，孔压传感器沿人工海床的不同深度布设。

一种模拟无限循环孤立波诱发海床压力水槽装置的工作方法，具体步骤如下：

S1、在水槽内铺设人工海床、布设孔压传感器；

S2、注入液体至滑轨界面；

S3、在水槽一端安装孤立波模型；

S4、通过伺服电机控制孤立波模型向前运动；

S5、拆卸孤立波模型，并安装在水槽另一端；

S6、重复步骤S4-S5，直至满足实验要求。

本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：本发明通过孤立波模型运动实现孤立波诱发海床压力的无限次循环作用，克服室内实验分层水体易混合的缺点，同时由于模型固定,保证每次作用过程引起的压力变化一致,对实验结果具有可靠保证，机械装置整体结构简洁、操作简单。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的侧视结构示意图；

图2为水槽的立体结构示意图；

图3为孤立波模型的立体结构示意图，

其中，图1至图3中附图标记与部件之间的对应关系为：

1、伺服电机，2、绳索，3、固定轮，4、固定架，5、孤立波模型，6、滑轨，7、水槽，8、人工海床,9、孔压传感器，10、金属框架，11、透明玻璃，12、注水口，13、连接环。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合图1至图3对本发明的实施例的模拟无限循环孤立波诱发海床压力水槽装置及其方法进行具体说明。

如图1至图3所示，本发明提出了一种模拟无限循环孤立波诱发海床压力水槽装置，包括水槽7以及安装在水槽7顶部的机械传动系统,其中，机械传动系统包括伺服电机1、固定轮3、绳索2和滑轨6，伺服电机1固定安装在水槽7顶部一端，固定轮3通过固定架4固定安装在水槽7顶部的另一端，伺服电机1与固定轮3之间通过绳索2连接，绳索2通过伺服电机1提供动力，绳索2下方装有滑轨6，绳索2上通过连接环13连接孤立波模型5，孤立波模型5可模拟真实孤立波造成的海床压力变化,内部可注入不同密度液体，模拟不同密度差的液体情况。伺服电机1通过绳索2带动孤立波模型5沿滑轨6运动，可通过转速可变的伺服电机1控制孤立波模型5的移动速度，孤立波模型5在滑轨6两端可自由拆卸。水槽7的四壁为透明玻璃11，可方便观察实验过程，透明玻璃11通过胶条将四块透明玻璃11密封，并且密封处使用金属框架10固定，水槽7内仅包含一层液体，液体上界面与滑轨6在同一水平面。水槽7内底部一端铺设人工海床8，模拟海洋真实状态,并有利于孔压的监测，人工海床8内埋设孔压传感器9，孔压传感器9沿人工海床8的不同深度布设，监测海床内部的压力变化。

孤立波模型5的外形由KdV方程和水槽尺寸计算确定，可制成符合KdV方程的多种形态的孤立波模型5，计算公式如下：

其中，

一种模拟无限循环孤立波诱发海床压力水槽装置的工作方法，具体步骤如下：

S1、在水槽7内铺设人工海床8、布设孔压传感器9；

S2、注入液体至滑轨6界面；

S3、在水槽7一端安装孤立波模型5；

S4、通过伺服电机1控制孤立波模型5向前运动；

S5、拆卸孤立波模型5，并安装在水槽7另一端；

S6、重复步骤S4-S5，直至满足实验要求。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。