CN119845541B - 一种整流系统及海底底质与底流模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了整流系统，其包括若干用于将水流整理成层流的单元模组，单元模组沿竖向分层排布。还公开了海底底质与底流模拟装置，其包括依次连通的造流系统、整流系统和实验池；造流系统推动水体产生水流，水流经整流系统整理成层流后被输入实验池内，实验池的池底铺设有海底底质模拟层。通过设置单元模组，使水流能够被整理成层流，从而更加接近真实的海底底流，进而提升真实的海底沉积物羽状流扩散过程的模拟程度。同时，通过将单元模组设置成呈竖向分层排布的形式，且各单元模组水平设置，使得每一单元模组排出的水流位于不同高度，且各路水流在不同高度沿水平方向扩散，从而能够有效减少不同水路之间的相互干扰、避免重新产生紊流和涡流。

Description

一种整流系统及海底底质与底流模拟装置

技术领域

本发明主要涉及海底底流模拟装置技术领域，尤其涉及一种整流系统及海底底质与底流模拟装置。

背景技术

海底底质是指海底的沉积物，根据其成分和特性的差异，可以分为沙质、泥质和岩石质等。海底底流是指在温盐或海风等机制驱动下，长期或永久呈稳定-半稳定状态作用于海底的海流，它是海洋环境中一种重要的自然现象，它对于海底生态系统的平衡、海底沉积物的搬运和分布、以及深海矿产资源的开发利用等都具有深远的影响。在进行深海采矿作业时，由于海底采矿车的扰动作用，海底底质被翻搅起来后被海底底流推动，从而产生海底沉积物羽状流，海底沉积物羽状流的形成是海底底质、海底底流，以及外部扰动共同作用的结果，对羽状流扩散过程的研究之于海洋环境影响评估具有重要意义。

为了研究羽状流的扩散过程，国内外纷纷在海底进行实地试验。但由于深海环境的特殊性和复杂性，导致试验成本极高、风险极大，很难取得实质性进展，因此，需要一种能够有效模拟海底环境的试验装置。由于大多数深海多金属结核矿区属于海盆地形，该区域海底底流与一般流体不同，其为层流（雷诺数Re＜2300），流速在0.01~0.1m/s。现有技术中的模拟装置所制造出来的流体均为湍流（雷诺数Re≥2300），且难以模拟出底层流速。同时，由于湍流与层流在推动被翻搅起来的海底底质的效果存在显著差异，故难以有效模拟真实的海底沉积物羽状流扩散过程。究其原因，主要是因为现有技术中的模拟装置多为单层结构，也就是说，在进行整流的过程中，位于上层、中层和下层的水体会沿竖向交叉流通，从而影响整流效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种海底底质与底流模拟装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种整流系统，包括若干用于将水流整理成层流的单元模组，所述单元模组沿竖向分层排布；在水流经过所述整流系统的过程中，位于各层所述单元模组内的水流不沿竖向流通。通过竖向分层排布的单元模组，能够从不同高度对水流进行全面整理，相较于未分层的结构，可更精准地控制水流在不同竖向位置的状态，并避免各层水流在整流过程中沿竖向流通，从而有效将水流整理成层流，解决现有技术难以模拟出海底底流层流状态的问题，为后续模拟海底沉积物羽状流扩散过程提供更符合实际的水流条件。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述单元模组包括缓冲区，所述缓冲区包括若干沿竖向分层排布的缓冲板，所述缓冲板设置成弧形或波浪形。弧形或波浪形的缓冲板可对水流起到分散和缓冲的作用，减缓水流速度，使水流更加平稳，避免水流出现急流和漩涡等不利于形成层流的情况，进一步优化水流进入后续区域前的状态，使得后续整流过程更加顺利，提高层流整理效果，更贴近海底底流的稳定/半稳定状态。

所述单元模组还包括位于缓冲区下游的整流区，所述整流区包括沿水流方向间隔设置的若干整流板，所述整流板设置成垂直于水流方向的多孔板。多孔板结构的整流板能够对水流进行细致地梳理和整流，水流通过多孔板上的小孔时，被分割成多个小股水流，这些小股水流相互作用、融合，使得水流在水平和竖向方向上的流速更加均匀，从而有效将水流整理为层流，克服现有技术中模拟装置制造出的湍流问题，实现对海底底流层流的有效模拟。

所述单元模组还包括位于整流区下游的导向区，所述导向区包括若干沿竖向分层排布的前导向板，和位于前导向板下游的后导向板，所述前导向板设置成弧形或波浪形，所述后导向板设置成网格板。弧形或波浪形的前导向板可对整流后的水流进行初步导向，引导水流以特定的角度和方向流动，使水流更加有序；后导向板的网格板结构进一步对水流进行微调，保证水流在不同竖向位置的一致性，避免水流出现偏差和紊乱，使水流稳定地进入后续稳定区，为模拟真实的海底底流状态提供更稳定、更符合要求的水流。

所述单元模组还包括位于导向区下游的稳定区，所述稳定区设置成沿水流方向内径逐渐增大的喇叭口。喇叭口结构的稳定区能够使水流在逐渐扩大的空间内流速逐渐降低并趋于稳定，进一步消除水流中的微小波动和不稳定因素，确保输出的层流具有高度的稳定性和均匀性，满足模拟海底底流稳定/半稳定状态的需求，为海底沉积物羽状流扩散过程的模拟提供更可靠的水流环境。

然后，本发明公开了一种海底底质与底流模拟装置，其包括依次连通的造流系统、上述的整流系统和实验池；所述造流系统推动水体产生水流，水流经所述整流系统整理成层流后被输入实验池内，所述实验池的池底铺设有海底底质模拟层。这种一体化的模拟装置结构，实现了从水流产生、整理到模拟海底环境进行实验的完整流程，各个系统协同工作，有效模拟了海底底质、海底底流以及外部扰动共同作用的环境，能够在实验室内低成本、低风险地开展海底沉积物羽状流扩散过程的研究，弥补了实地试验成本高、风险大的缺陷。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述造流系统包括依次相连的储罐、水泵和阀门；所述储罐与实验池相连通，且所述储罐内的水位高于各水泵的进水口。利用储罐内水位高于水泵进水口的设置，可借助重力作用使水流更顺畅地进入水泵，减少水泵能耗，同时保证水流供应的稳定性，为后续整流系统提供稳定的水流输入，确保整个模拟装置能够持续稳定运行。

每一所述水泵均与各阀门相连通。通过每个水泵与各阀门相连通的设计，可灵活控制各个阀门的水流流量和流速，根据实验需求精确调整水流状态，提高模拟装置的适应性和可操作性，满足不同实验条件下对海底底流模拟的要求。

所述阀门沿竖向分层排布，其出水口与整流系统相连通。竖向分层排布的阀门可实现对不同高度水流的分别控制，配合整流系统的竖向分层结构，能够更精准地对不同竖向位置的水流进行调节和整理，使水流在进入整流系统时就具有更好的可控性，进一步提高模拟海底底流层流状态的准确性。

所述实验池背离整流系统一侧经若干回流管连通造流系统，所述回流管沿竖向分层排布。竖向分层排布的回流管能够使实验池内不同高度的水流分别回流至造流系统，实现水体的循环利用，减少水资源浪费，同时保证了实验池内水流状态的稳定性和持续性，使模拟实验能够长时间进行，为海底沉积物羽状流扩散过程的深入研究提供了有利条件。

整体而言，通过设置单元模组，使得流入的水流能够被整理成层流，从而更加接近真实的海底底流，进而能够提升真实的海底沉积物羽状流扩散过程的模拟程度。同时，通过将单元模组设置成呈竖向分层排布的形式，且各单元模组呈水平状设置，使得每一单元模组排出的水流位于不同高度，且各路水流在不同高度沿水平方向扩散，从而能够有效减少不同水路之间的相互干扰、避免重新产生紊流和涡流。

附图说明

图1是整流系统的结构示意图；

图2是整流系统处理前后流速变化曲线图；

图3是海底底质与底流模拟装置的结构示意图；

图4分层与不分层两种设置的效果比较图。

图中各标号表示：1、整流系统；11、单元模组；111、缓冲区；1111、缓冲板；112、整流区；1121、整流板；113、导向区；1131、前导向板；1132、后导向板；114、稳定区；2、造流系统；21、储罐；22、水泵；23、阀门；3、实验池；4、海底底质模拟层；5、回流管。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例

如图1所示，本实施例的整流系统，包括五个水平设置的单元模组11，水流从单元模组11的入水端进入，经单元模组11整理后从出水端排出。各单元模组11设置有顶板和底板，顶板和底板均为不透水的板材，在水流经过整流系统的过程中，位于各层单元模组内的水流由于无法穿透顶板和底板，故只能在对应的单元模组11内流动而不产生竖向水流。也就是说，水体一旦流入某一单元模组11，就必然从该单元模组11中流出，而不会进入到不同的单元模组11内。五个单元模组11沿竖向分层排布，每一单元模组11排出的水流位于不同高度，又因为各单元模组11呈水平状设置，使得各路水流在不同高度沿水平方向扩散，从而能够有效减少不同水路之间的相互干扰、避免重新产生紊流和涡流。

具体地，单元模组11包括缓冲区111，缓冲区111靠近单元模组11的入水端，其包括四层沿竖向均匀间隔排布的波浪形缓冲板1111，相邻缓冲板1111之间形成波浪形间隙，水流在该间隙中流动的过程中，其动能得以消减并被限制流向，从而能够有效减少水流中的紊流和涡流、降低雷诺数Re。单元模组11还包括位于缓冲区111下游的整流区112，整流区112包括沿水流方向间隔设置的三块垂直于水流方向的整流板1121，整流板1121设置成多孔板，位于整流板1121中部的孔径大于位于整流板1121边缘的孔径。流经缓冲区111的水流在穿越整流板1121上的孔洞时，其动能被进一步消减，从而能够进一步减少水流中的紊流和涡流、降低雷诺数Re。单元模组11还包括位于整流区112下游的导向区113，导向区113包括六块沿竖向均匀间隔排布的前导向板1131，相邻前导向板1131之间形成波浪形间隙，水流在该间隙中流动的过程中，其动能得以消减并被限制流向，从而能够有效减少水流中的紊流和涡流、降低雷诺数Re；导向区113还包括位于前导向板1131下游的网格状后导向板1132，前导向板1131间隙的水流在穿越后导向板1132上的孔洞时，其动能被进一步消减，从而能够进一步减少水流中的紊流和涡流、降低雷诺数Re。单元模组11还包括位于导向区113下游的稳定区114，稳定区114设置成沿水流方向内径逐渐增大的喇叭口，相邻单元模组11的稳定区114贴合。流经导向区113的水流在稳定区114内进一步消除紊流和涡流，使得雷诺数Re降低至2300以下，从而确保经整流系统处理后向外排出的是与海底底流基本一致的层流。

在阀门23处和稳定区114处分别设置电磁式单点流速仪，且两个电磁式单点流速仪处同一水平面，以实时监测流速变化情况，通过对比两个位置的流速数据，可以明显观察到水流从湍流逐渐转变为层流的过程。具体而言，在阀门23处，流速分布呈现出较大的波动和不规则性，表明此时水流仍处于湍流状态；而在稳定区114处，流速分布则趋于平稳且均匀，波动幅度显著减小，表明经过整流系统的处理，水流已经转变为层流。

为了证明通过设置的缓冲区111、整流区112、导向区113和稳定区114后能够将湍流整理成层流，本发明通过在实验室中开展测试，获取了阀门23处和稳定区114处同一水平面流速变化情况见图2所示，从图中可知：阀门23处变化较为剧烈，波动较大，在整个时间段呈现不规则波动变化；而在稳定区114处流速变化相对平稳，波动幅度较小，在整个时间段呈现较为平稳变化趋势。因此，可知经过整流系统处理后，稳定区114处的流速明显比阀门23处的流速更加平稳。这表明整流系统有效地减少了流速的波动，提高了流速的稳定性。

此外，通过计算雷诺数（Re）计算公式：

式中：

取实验期间阀门23和稳定区114平均流速值，计算出雷诺数如下表所示：

表1：两个监测点雷诺数结果表

从表中可知：在阀门23处，雷诺数较高，通常大于2300，符合湍流的特征；而在稳定区114处，雷诺数降低至2300以下，符合层流的特征。这些数据充分证明了通过设置缓冲区111、整流区112、导向区113和稳定区114，能够有效地将湍流整理成层流，从而提升海底沉积物羽状流扩散过程的模拟程度。

然后，如图3所示，本实施例还公开了一种海底底质与底流模拟装置，其包括依次连通的造流系统2、上述的整流系统1和实验池3；造流系统2推动水体产生水流，水流经整流系统1整理成层流后被输入实验池3内，实验池3的池底铺设有海底底质模拟层4。整流系统1包括五个水平设置的单元模组11，水流从单元模组11的入水端进入，经单元模组11整理后成为层流，而后从出水端排出。五个单元模组11沿竖向分层排布，实验池3的水位高于各单元模组11的出水口，每一单元模组11排出的水流位于不同高度，又因为各单元模组11呈水平状设置，使得各路水流在实验池3内不同高度处沿水平方向扩散，从而能够有效减少不同水路之间的相互干扰、避免重新产生紊流和涡流。为了证明单元模组沿竖向分层设置的效果优于不分层的效果，通过将两套相同的底流模拟装置进行对比，其中一套装置的整流系统采用五个单元模组沿竖向分层排布。另一套装置的整流系统将五个单元模组合并为一个整体，不进行竖向分层排布。在其他相关参数完全一致情况下，利用流速传感器监测离地高0.3m、0.8m、1.2m处的流速值，测量结果如下图4所示。从流速数据可以看出，采用分层布设后在不同高度处的流速相对稳定，波动较小；而不分层装置的流速波动较大，特别是在较高位置，流速明显增大，说明不分层装置无法有效控制水流速度，导致水流在实验池内产生较大的波动。这证明了单元模组沿竖向分层设置能够有效提高水流的稳定性，减少不同水路之间的相互干扰，避免重新产生紊流和涡流。

同时，通过在实验池3的池底铺设海底底质模拟层4，能够在实验池3内直接模拟出海底底质与海底底流的结合场景，从而便于模拟真实的海底沉积物羽状流扩散过程。

具体地，造流系统2包括依次相连的储罐21、水泵22和阀门23；储罐21与实验池3相连通、用于为造流提供水源。且储罐21内的水位高于各水泵22的进水口，使得水泵22内难以混入空气，从而能够有效降低因空气造成紊流和涡流的可能性，进而提高水流的稳定性。每一水泵22均与各阀门23相连通。阀门23沿竖向分层排布，其出水口与整流系统1相连通。水泵22的机械性能难以做到完全统一，通过将每一水泵22与各阀门23相连通，使得进入各阀门23内的水流情况能够保持基本一致，从而避免因个别水泵22的性能差异而导致制造的各路水流产生明显差异，即能够提升造流系统2所制造水流的整体稳定性。

更具体地，实验池3背离整流系统1一侧经若干回流管5连通造流系统2，回流管5沿竖向分层排布。由整流系统1排出的层流在实验池3内不同高度处沿水平方向扩散，通过在实验池3背离整流系统1一侧沿竖向分层设置若干回流管5，能够同时从实验池3内抽取不同深度的池水，从而能够在一定程度上减少池水在竖直方向上的移动，进而能够有效减少不同水层之间的相互干扰、避免重新产生紊流和涡流。

进一步地，海底底质与底流模拟装置还包括分别与水泵22、阀门23电连接的数据采集与控制系统，该系统包括内置于水泵22、用于实时监测水流流量的流量传感器，数据采集与控制系统根据流量传感器所采集到的各水泵22的水流流量数据调控水泵22的功率和阀门23的开度，从而使得经阀门23排出的各水路水流的流速、流量等指标满足试验要求。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种海底底质与底流模拟装置，其特征在于：包括依次连通的造流系统（2）、整流系统（1）和实验池（3）；所述造流系统（2）推动水体产生水流，水流经所述整流系统（1）整理成层流后被输入实验池（3）内，所述实验池（3）的池底铺设有海底底质模拟层（4）；

所述整流系统（1）包括若干用于将水流整理成层流的单元模组（11），所述单元模组（11）沿竖向分层排布，实验池（3）的水位高于各单元模组（11）的出水口；在水流经过所述整流系统的过程中，位于各层所述单元模组（11）内的水流不沿竖向流通；

所述实验池（3）背离整流系统（1）一侧经若干回流管（5）连通造流系统（2），所述回流管（5）沿竖向分层排布。

2.根据权利要求1所述的海底底质与底流模拟装置，其特征在于：所述单元模组（11）包括缓冲区（111），所述缓冲区（111）包括若干沿竖向分层排布的缓冲板（1111），所述缓冲板（1111）设置成弧形或波浪形。

3.根据权利要求2所述的海底底质与底流模拟装置，其特征在于：所述单元模组（11）还包括位于缓冲区（111）下游的整流区（112），所述整流区（112）包括沿水流方向间隔设置的若干整流板（1121），所述整流板（1121）设置成垂直于水流方向的多孔板。

4.根据权利要求3所述的海底底质与底流模拟装置，其特征在于：所述单元模组（11）还包括位于整流区（112）下游的导向区（113），所述导向区（113）包括若干沿竖向分层排布的前导向板（1131），和位于前导向板（1131）下游的后导向板（1132），所述前导向板（1131）设置成弧形或波浪形，所述后导向板（1132）设置成网格板。

5.根据权利要求4所述的海底底质与底流模拟装置，其特征在于：所述单元模组（11）还包括位于导向区（113）下游的稳定区（114），所述稳定区（114）设置成沿水流方向内径逐渐增大的喇叭口。

6.根据权利要求1所述的海底底质与底流模拟装置，其特征在于：所述造流系统（2）包括依次相连的储罐（21）、水泵（22）和阀门（23）；所述储罐（21）与实验池（3）相连通，且所述储罐（21）内的水位高于各水泵（22）的进水口。

7.根据权利要求6所述的海底底质与底流模拟装置，其特征在于：每一所述水泵（22）均与各阀门（23）相连通。

8.根据权利要求6所述的海底底质与底流模拟装置，其特征在于：所述阀门（23）沿竖向分层排布，其出水口与整流系统（1）相连通。