一种实验室表面波与多模态内波耦合生成装置及方法

本发明属于船舶与海洋工程，具体涉及一种实验室表面波与多模态内波耦合生成装置及方法。

背景技术：

1、海洋波浪和内波都是海洋中常见的物理现象，两者在传播过程中伴随着能量的交换。海洋内波是在具有稳定层化结构的海洋中，受到外力扰动破坏了这种分层结构时产生的海洋内部波动，是一种几乎贯穿海洋全深度的波动现象。且由于海水密度的层间变化很小，约化重力远小于重力，与自由面处的波浪相比，海水受到微小扰动便会产生振幅巨大的海洋内波。对于水下航行器而言，这种振幅巨大的内波会同时伴随密度面的剧烈变化，进而造成的浮力波动会对航行器的安全航行产生重要影响。此外，在内波的传播过程中，除了密度面的变化外，还会产生具有强垂向剪切的往复水平流，威胁着海洋结构物的安全，海洋波浪和内波作为海洋中最主要的两种载荷，其对海洋结构物的安全运行有着严重的威胁。对于船舶与海洋工程领域而言，其研究具有重要的意义。

2、实验室中产生波浪的方法主要是质量源驱动方法，在水池的一侧通过诸如推板、造波块等物体的周期性往复运动产生向水池另一侧单向传播的波浪。通过调节质量源的大小、运动周期等可以在水池中实现不同波高、不同频率的波浪。内波的生成需要满足两个必要条件，一个是有密度稳定层化的海洋结构，另一个是存在扰动源。在实验室中，目前对于内波的生成方法主要是通过抽板的方式，使用所谓的“重力塌陷法”来生成内孤立波。该方法通过调节抽板左右两侧流体的高度差(塌陷高度)可以实现不同振幅内孤立波的产生，但是对于固定的分层条件只能生成一种模态的内波，而难以获得多模态内波。同时，上述波浪或内波的生成方法都需要在水池的一侧部署装置，两种装置在空间上存在着竞争关系，难以同时生成，对表面波和内波进行孤立的研究，两者耦合作用机制不清。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种便于更换造波模块并结合改变振荡频率，获得不同波高和波长的表面波，并可在内界面处激发多模态内波，实现表面波和多模态内波的耦合生成的实验室表面波与多模态内波耦合生成装置及方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的一种实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其包括玻璃水槽、自动升降台、造波机、造波块和消波板；所述玻璃水槽的内部填充有不同密度的水；所述自动升降台匹配设置于所述玻璃水槽的一端上部；所述造波机匹配设置于所述自动升降台上且在所述自动升降台的带动下实现升降；所述造波机的动力输出端匹配安装有所述造波块；所述造波块位于所述玻璃水槽内侧；所述消波板匹配设置在所述玻璃水槽的另一端内部且与所述玻璃水槽的底部成15-20°夹角。

3、所述实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其中：所述玻璃水槽包括水槽本体和支柱；所述水槽本体内部具有容置空间且填充有不同密度的水；所述水槽本体通过在其两端外壁竖直固设的多个支柱置于地面。

4、所述实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其中：所述自动升降台采用剪式电动升降台，其匹配设置在所述水槽本体的一端且包括底座、导轨、步进电机、传动机构、升降架和台面；所述底座匹配固定在所述水槽本体的一端上部；所述导轨匹配水平固设于所述底座的上部；所述步进电机匹配设置在所述底座的一端外侧，其动力输出端水平伸向所述底座的上方；所述传动机构由丝杠和丝杠座组成；所述丝杠一端匹配固定连接于所述步进电机的动力输出端，另一端匹配铰接有轴承座；所述轴承座匹配固定在所述导轨行程末端一侧的所述底座上；所述丝杠座匹配滑动安装于所述导轨上且与所述丝杠通过螺纹配合连接，所述丝杠座在所述丝杠的带动下沿着所述导轨直线位移；所述升降架包括一对支臂；一对所述支臂的中段彼此通过铰接轴匹配铰接；其中一个所述支臂的下端与所述丝杠座匹配铰接，另一个所述支臂的下端匹配铰接有支座；所述支座匹配固定在所述底座的另一端上部；所述台面匹配水平安装于一对所述支臂的上端，其一端底部与其中一个所述支臂的上端匹配铰接，另一端底部与另一个所述支臂的上端匹配铰接。

5、所述实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其中：所述造波机匹配设置于所述台面上，其包括伺服电机和曲柄连杆；所述伺服电机设置于所述台面上，其动力输出端匹配连接于所述曲柄连杆的一端；所述曲柄连杆的另一端向下竖直伸入所述水槽本体内部。

6、所述实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其中：所述造波块匹配安装于所述曲柄连杆的另一端端部；所述伺服电机旋转通过所述曲柄连杆转化为所述造波块的直线往复运动；所述伺服电机通过改变其转速即可连续改变造波频率，所述造波块振荡行程可通过改变所述曲柄连杆中连杆的长度实现。

7、一种实验室表面波与多模态内波耦合生成方法,基于上述的实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其具体包括以下步骤:

8、(1)根据玻璃水槽尺寸配置上下两层密度分层水,并严格控制层深比；

9、(2)根据玻璃水槽尺寸及造波机振荡行程调整造波块极限位置，使得造波块最低位置位于两层密度水层结之上，造波块最高位置位于上层密度水水面之下；

10、(3)静置待水面稳定；

11、(4)根据造波机波高与频率对应关系，调节造波机频率，产生特定波高和波长的表面波；

12、(5)观测上下两层密度水层结位置；

13、(6)待产生二模态内波后，停止造波机。

14、所述实验室表面波与多模态内波耦合生成方法，其中：所述步骤(1)中的上层密度水可为普通淡水且比密度为1，下层密度水为盐水且比密度为1.05。

15、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

16、本发明实验室表面波与多模态内波耦合生成装置结构设计简单、合理，操作方便，通过在玻璃水槽内配比不同密度的盐水，并改变盐水和纯水的层深比，并结合自动升降台高效定量的调整造波块的位置，结合频率可调的造波机，可以实现不同波高、波长的表面波和多模态内波的耦合生成，提高造波精度的同时降低人力成本，适于推广与应用。

技术特征：

1.一种实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其特征在于：所述生成装置包括玻璃水槽、自动升降台、造波机、造波块和消波板；

2.如权利要求1所述的实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其特征在于：所述玻璃水槽包括水槽本体和支柱；所述水槽本体内部具有容置空间且填充有不同密度的水；所述水槽本体通过在其两端外壁竖直固设的多个支柱置于地面。

3.如权利要求2所述的实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其特征在于：所述自动升降台采用剪式电动升降台，其匹配设置在所述水槽本体的一端且包括底座、导轨、步进电机、传动机构、升降架和台面；

4.如权利要求3所述的实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其特征在于：所述造波机匹配设置于所述台面上，其包括伺服电机和曲柄连杆；所述伺服电机设置于所述台面上，其动力输出端匹配连接于所述曲柄连杆的一端；所述曲柄连杆的另一端向下竖直伸入所述水槽本体内部。

5.如权利要求4所述的实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其特征在于：所述造波块匹配安装于所述曲柄连杆的另一端端部；所述伺服电机旋转通过所述曲柄连杆转化为所述造波块的直线往复运动；所述伺服电机通过改变其转速即可连续改变造波频率，所述造波块振荡行程可通过改变所述曲柄连杆中连杆的长度实现。

6.一种实验室表面波与多模态内波耦合生成方法,基于上述权利要求1至5任意一项所述的实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其特征在于,具体包括以下步骤:

7.如权利要求6所述的实验室表面波与多模态内波耦合生成方法，其特征在于：所述步骤(1)中的上层密度水可为普通淡水且比密度为1，下层密度水为盐水且比密度为1.05。

技术总结
本发明提供了一种实验室表面波与多模态内波耦合生成装置,其包括玻璃水槽、自动升降台、造波机、造波块和消波板；所述玻璃水槽的内部填充有不同密度的水；所述自动升降台匹配设置于所述玻璃水槽的一端上部；所述造波机匹配设置于所述自动升降台上且在所述自动升降台的带动下实现升降；所述造波机的动力输出端匹配安装有所述造波块；所述造波块位于所述玻璃水槽内侧；所述消波板匹配设置在所述玻璃水槽的另一端内部且与所述玻璃水槽的底部成15‑20°夹角。本发明便于更换造波模块并结合改变振荡频率，获得不同波高和波长的表面波，并可在内界面处激发多模态内波，实现表面波和多模态内波的耦合生成。

技术研发人员：王志英,劳铁涛,王展,王静竹,王一伟
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16