实验室中耦合生成非规则海岸带波浪潮汐的装置及方法与流程

本发明涉及一种耦合生成非规则海岸带波浪潮汐的装置及方法，属于水动力学和海洋科学交叉领域。

背景技术：
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在水力学实验室中进行海岸带的水力模拟一般包括流场模拟、波浪模拟、潮汐模拟等方面，在现有技术中存在大量的相关模拟方法和装置。如用于波浪模拟的包括：CN201510382133.4用于波浪模拟的多轴控制系统及方法、CN201520366830.6一种实验用推板式波浪模拟水槽；用于流场模拟的包括：CN201520366828.9一种小型流场模拟水槽；用于潮汐模拟的包括：CN201210273081.3潮汐模拟测控系统及其测控方法、CN201120129825.5潮汐模拟造浪仪、CN200810226251.6海工模型潮汐模拟自动控制装置及控制方法、CN200810047283.X双向回流变频调速泵潮汐模拟系统、CN200810014811.1潮汐模拟自动化试验装置。

1、现有的水流模拟方法一般是在水槽中控制水位和流量通过天然水面比降获得流速。

2、现有的潮汐模拟一般考虑的潮汐条件相对简单，主要考虑月球和太阳的引潮力所引起的海平面周期性波动，即：M2和S2分潮。模拟研究中大多采用简单的正弦信号(如半日潮[Li,H.,M.C.Boufadel,and J.W.Weaver(2008),Tide-induced seawater-groundwater circulation inshallow beach aquifers,Journal of Hydrology,352(1-2),211-224,10.1016/j.jhydrol.2008.01.013；Robinson,C.,L.Li,and D.A.Barry(2007b),Effect of tidal forcing on a subterranean estuary,Advancesin Water Resources,30(4),851-865,10.1016/j.advwatres.2006.07.006；Xin,P.,C.Robinson,L.Li,D.A.Barry,and R.Bakhtyar(2010),Effects of wave forcing on asubterranean estuary,Water Resources Research,46,10.1029/2010wr009632.)，自然条件下潮汐的组成波非常复杂，目前没有适当的模拟方法。

3、现有的潮汐、波浪等模拟一般采用采用线性叠加的方法生成，但是Xin et al.[2010]的研究指出，潮汐波浪因子不能线性叠加，譬如潮汐和波浪信号在滨海含水层会相互影响，产生的海底地下水排泄总量远小于单一因子产生的环流量总和。随后，King[2012]通过研究巴西Patos泻湖海岸带的海底地下水排泄过程，再次强调了复合因子非线性作用的重要性并明确提出广泛采用的线性模型不能很好地量化海底地下水排泄总量，其海侧波浪条件与实际偏差较大。非规则内陆边界、复合潮汐和非规则波浪过程是影响含水层水动力过程及污染物运移的关键因素。目前，这三种水力因子在空间和时间尺度上的耦合机制还没有被很好地认识。

技术实现要素：

发明目的：为了解决以上技术问题，本发明提供一种在实验室中模拟生成波浪潮汐的装置及方法，所生成的波浪潮汐能够满足非规则和相互耦合的要求。

技术方案：本发明提出一种实验室中耦合生成非规则海岸带波浪潮汐的装置，包括水槽、单摆式造波机、自动升降式潮汐发生器、控制计算机；装置的最上游布置自动升降式潮汐发生器，自动升降式潮汐发生器下游端连接水槽入口，水槽入口处布置单摆式造波机，所述控制计算机控制水槽的水流量、单摆式造波机的运动和自动升降式潮汐发生器的升降。

进一步的，所述水槽包括回水槽、变频泵、连接管道、水槽试验段和流量控制系统；所述水槽试验段通过连接管道连接回水槽，回水槽通过变频泵与自动升降式潮汐发生器的进水口相连。

进一步的，所述单摆式造波机包括造波机电机、驱动杆、曲轴连杆、推波板、推波板轴、潮汐高程连杆和支架和电机控制系统；所述驱动杆为“冂”形结构，包括一个水平杆，以及分别位于水平杆两端且与水平杆垂直的竖直杆，在水平杆和竖直杆的两端均设有一个皇冠齿轮，驱动杆通过“冂”形结构拐角处的一个皇冠齿轮连接造波机电机，“冂”形结构开口处的皇冠齿轮分别连接一个曲轴连杆；所述曲轴连杆与驱动杆的连接端设有一个皇冠齿轮；所述推波板为四边形结构，与水平杆对应的一边为内凹的椭圆弧开口，与椭圆弧边相对的边固定在推波板轴上，与椭圆弧边相邻的两边对应开有滑槽；所述曲轴连杆未与驱动杆连接的一端通过滑块嵌入推波板的滑槽内；所述单摆式造波机通过驱动杆固定在支架上，所述支架的下部连接潮汐高程连杆，并通过潮汐高程连杆与自动升降式潮汐发生器相连。

更进一步的，所述推波板宽度为16cm，长度为32.5cm，椭圆弧开口的短轴与水平面平行，长轴与水平面垂直，对应的椭圆方程为椭圆形开口深度为半长轴，即16cm，开口宽度为短轴长，即16cm。

进一步的，所述曲轴连杆长度为8cm。

进一步的，所述自动升降式潮汐发生器包括潮汐箱体，位于潮汐箱体内部的连接管道、折线溢流槽和溢流回水槽，以及位于潮汐箱体顶部的螺纹升降机、高程升降架活动组件、高程升降架固定组件、高程测量组件和高程升降架活动组件控制系统，所述自动升降式潮汐发生器通过高程升降架活动组件与单摆式造波机相连，所述潮汐箱体的进水口通过连接管道连接水槽，所述折线溢流槽出口连接溢流回水槽，所述折线溢流槽和高程测量组件固定在高程升降架活动组件上，所述高程升降架活动组件通过螺纹升降机连接高程升降架固定组件，所述高程升降架固定组件固定在潮汐箱体上部。

更进一步的，所述推波板椭圆弧开口底部高程比折线溢流槽堰顶高程高3cm。

更进一步的，所述折线溢流槽的过流边线长度不小于最大水位单位小时变幅的20倍，当折线溢流槽的过流边线长度小于最大水位单位小时变幅的20倍时，水位变化不能满足试验中潮汐的跟随性。

本发明还提出一种实验室中耦合生成非规则海岸带波浪潮汐的方法，包括如下步骤：

1)在控制计算机中设定潮汐特征，涨潮过程中流量控制系统控制变频泵增加流量，高程升降架活动组件控制系统控制高程升降架活动组件上升，在高程升降架活动组件上升过程中高程测量组件跟踪水位并向控制计算机反馈，由于折线溢流槽与高程升降架活动组件固定连接，因此折线溢流槽与高程升降架活动组件共同上升，在上升过程中使得折线溢流槽的堰上水头始终保持为2.6cm；在达到高潮潮位后，开始进入落潮过程，流量控制系统控制变频泵减小流量，高程升降架活动组件控制系统控制高程升降架活动组件下降，同时折线溢流槽下降，保持折线溢流槽堰上水头为2.75cm；

2)在高程升降架活动组件随控制计算机指令上升下降时，将上升下降的动作通过潮汐高程连杆传递给单摆式造波机，单摆式造波机随高程升降架活动组件共同升降，保持水位高程与单摆式造波机相对高度不变；

3)电机控制系统根据波浪周期计算造波机电机的工作频率，造波电机周期运动，将动力传递给驱动杆的水平杆，水平杆上的两个皇冠齿轮与水平杆共同运动带动竖直杆，竖直杆带动曲轴连杆的皇冠齿轮，驱动曲轴连杆做圆周运动，曲轴连杆连接的滑块在推波板上做直线往复运动，并推动推波板做摆动，模拟海岸带波浪，进而得到潮汐与波浪的耦合。

有益效果：本发明采用如上技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的潮汐生成装置能够满足水位跟随性的要求；

2、在与造波机通过高程连杆连接后，给波浪与潮汐之间的耦合建立了合理的物理模拟关系。

附图说明

图1是本发明装置的主视图；

图2是本发明装置的左视图；

图3是本发明装置的自动升降式潮汐发生器的结构示意图；

图4是本发明装置的单摆式造波机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1-3所示的实验室中模拟海岸带非规则水力因子的装置，包括水槽1、单摆式造波机2、自动升降式潮汐发生器3、控制计算机；装置的最上游布置自动升降式潮汐发生器3，自动升降式潮汐发生器3下游端连接水槽1入口，水槽1入口处布置单摆式造波机2，所述控制计算机控制水槽1的水流量、单摆式造波机2的运动和自动升降式潮汐发生器3的升降。

所述水槽1包括回水槽4、变频泵5、连接管道6、水槽试验段7和流量控制系统；所述水槽试验段7通过连接管道6连接回水槽4，回水槽4通过变频泵5与自动升降式潮汐发生器的连接管道17相连。

所述单摆式造波机2包括造波机电机8、驱动杆9、曲轴连杆10、推波板11、推波板轴12、潮汐高程连杆13和支架14和电机控制系统；所述驱动杆9为“冂”形结构，包括一个水平杆，以及分别位于水平杆两端且与水平杆垂直的竖直杆，在水平杆和竖直杆的两端均设有一个皇冠齿轮，驱动杆“冂”形结构拐角处的一个皇冠齿轮连接造波机电机8，“冂”形结构开口处的皇冠齿轮分别连接一个曲轴连杆10；所述曲轴连杆10与驱动杆9的连接端设有一个皇冠齿轮；所述推波板11为四边形结构，与水平杆对应的一边为内凹的椭圆弧开口，与椭圆弧边相对的边固定在推波板轴12上，与椭圆弧边相邻的两边对应开有滑槽；所述曲轴连杆10未与驱动杆9连接的一端通过滑块15嵌入推波板11的滑槽内；所述单摆式造波机通过驱动杆9固定在支架14上，所述支架14的下部连接潮汐高程连杆13，并通过潮汐高程连杆13与自动升降式潮汐发生器3的高程升降架活动组件21相连。具体的，所述推波板宽度为16cm，长度为32.5cm，椭圆弧开口的短轴与水平面平行，长轴与水平面垂直，对应的椭圆方程为椭圆形开口深度为半长轴，即16cm，开口宽度为短轴长，即16cm。所述曲轴连杆10长度为8cm。

所述自动升降式潮汐发生器3包括潮汐箱体16，位于潮汐箱体16内部的连接管道17、折线溢流槽18和溢流回水槽19，以及位于潮汐箱体16顶部的螺纹升降机20、高程升降架活动组件21、高程升降架固定组件22、高程测量组件23和高程升降架活动组件控制系统24，所述自动升降式潮汐发生器3通过高程升降架活动组件21与潮汐高程连杆13相连，所述潮汐箱体16的进水口通过连接管道17连接水槽1的变频泵5，所述折线溢流槽18出口连接溢流回水槽19，所述折线溢流槽18和高程测量组件23固定在高程升降架活动组件21上，所述高程升降架活动组件21通过螺纹升降机20连接高程升降架固定组件22，所述高程升降架固定组件22固定在潮汐箱体16上部。具体的，所述推波板11椭圆弧开口底部高程比折线溢流槽18堰顶高程高3cm。当模拟潮汐的最大水位单位小时变幅为8cm，所述折线溢流槽18的堰顶过流边线长度为160cm。

上述装置对应的波浪潮汐生成方法包括如下步骤：

1)在控制计算机中设定潮汐特征，涨潮过程中流量控制系统控制变频泵5增加流量，高程升降架活动组件控制系统24控制高程升降架活动组件21上升，在高程升降架活动组件21上升过程中高程测量组件23跟踪水位并向控制计算机反馈，由于折线溢流槽18与高程升降架活动组件21固定连接，因此折线溢流槽18与高程升降架活动组件21共同上升，在上升过程中使得折线溢流槽18的堰上水头始终保持为2.6cm；在达到高潮潮位后，开始进入落潮过程，流量控制系统控制变频泵5减小流量，高程升降架活动组件控制系统24控制高程升降架活动组件21下降，同时折线溢流槽18下降，保持折线溢流槽18堰上水头为2.75cm；

2)在高程升降架活动组件21随控制计算机指令上升下降时，将上升下降的动作通过潮汐高程连杆13传递给单摆式造波机2，单摆式造波机2随高程升降架活动组件21共同升降，保持水位高程与单摆式造波机2相对高度不变；

3)电机控制系统根据波浪周期计算造波机电机8的工作频率，造波电机8周期运动，将动力传递给驱动杆9的水平杆，水平杆上的两个皇冠齿轮与水平杆共同运动带动竖直杆，竖直杆带动曲轴连杆10的皇冠齿轮，驱动曲轴连杆10做圆周运动，曲轴连杆10连接的滑块15在推波板11上做直线往复运动，并推动推波板11做摆动，模拟海岸带波浪，进而得到潮汐与波浪的耦合。