泰勒柱实验

物理海洋实验讲义海洋环境学院2008年3月1目录物理海洋实验的概述物理海洋实验的基本设备实验1风浪水槽平均风速测量实验2水槽风浪波面位移的测量和分析实验3海-气边界层的测量和分析实验4水下压力波动的测量与分析实验5科氏力实验实验6泰勒柱实验实验7Rossby波的实验模拟2物理海洋实验的概述一．引言众所周知，物理海洋学是流体力学的一个重要分支，是研究海洋流体和地球流体动力过程的一门学科。物理海洋学本身又是以应用和实践为主的学科，其研究方法可分为理论研究、数值模拟、实验研究和海洋调查。各者互为补充，又不可代替。其中实验研究是物理海洋学的不可忽略的重要组成部分。它的研究范围遍及物理海洋学的各个领域，对物理海洋学地发展起着关键性的作用。二．物理海洋实验和海洋调查从广义上讲，现场海洋调查也属于实验研究的范畴，所不同是，海洋调查直接探测的对象是真实的海洋，而实验研究大多在实验室模拟环境下进行。海洋现场调查是研究海洋的重要方法，是直接获取海洋资料的主要途径。但是海洋调查有局限性：1）属于被动观测，无法控制环境条件，无法重复现象和过程。2）对于有些非静态的变化过程或者大尺度现象，仅靠有限的海上单点时间序列的现场观测是无法全面了解的。3）近代海洋卫星遥感技术虽然可以大范围观测海洋，但是对于海洋内部的过程仍然无法直接观测到。4）海上条件复杂和恶劣，且观测费用昂贵，不易采用系统的和精密的、重复的观测手段。相比之下，实验室物理模拟研究的优点是：1）可以控制实验条件，如背景风和背景流。2）可以重复再现海洋现象和过程；3）可以运用各种先进技术手段，精细的、全面的观测；4）可以观察到现象的内部规律，比如内波、毛细波、Rossby波、海洋湍流、贴水面边界层、水下水质点运动等等。1三．物理海洋实验研究的主要任务1．研究海洋运动中的新现象和相应的基本规律，探索相应的基本规律在物理海洋学研究的许多分支中心的发现和重大研究成果不断涌现。大量的研究领域和课题仍属于未知。许多问题还未能很好的解决，远非单纯的理论分析和数值计算能够胜任。因此，实验研究的任务是不断的研究海洋运动中的新现象和相应的基本规律，探索相应的基本规律。即便是某些运动规律或现象已经可以从理论上得到预测的情况下，在没有充分的实验验证之前通常是不会得到人们的正式承认的。2．研究海洋各种尺度过程之间的关系在海洋中，存在着各种尺度的过程。大到行星尺度的地转运动，小到海面毛细结构的微尺度过程。他们之间并不是简单独立的，而是存在着相互作用及能量交换。实验研究的的对象是经比尺变换的模型，模拟范围遍及各种尺度，昀有条件研究各种尺度过程之间的相互关系。3．利用模拟技术解决应用中的实际问题实验研究的诀窍在于利用模拟技术，以昀小的代价和有限的实验条件来发现、证实或重现某种具有研究价值的物理规律或实际应用问题，解决一些理论方法和数值方法无法解决的实际问题，这对海洋工程尤其具有重要意义。4．发展实验仪器和测量方法实验仪器是开展实验研究的必要手段。在多数情况下，实验工作者可以利用和购置现有的产品，更多的侧重于熟练地和正确地掌握使用仪器。但是，在有些情况下，实验研究需要研究人员自行研制设计开发新仪器和新方法。实验研究的进展，往往取决于新技术和手段的突破。一般来说，一个国家的科学水平常常反映在实验室中。因而，实验研究在一定意义上反映着整个学科的水平。近年来，随着科学技术的发展，大量的高科技术和尖端仪器应用于实验研究。但是，总体来说，仍与实验研究的工作需要不相适应。因此，正确的设计和组织实验研究工作，有预见性地选择和安排实验课题，合理地使用仪器和测量技术，发挥现有条件的作用，研究实验技术并有效的方法来实现预期的研究目标，这是实验研究的重要任务。要求实验研究者为完成研究目标具有昀大的灵活性并在实践中锻炼学识、提高驾驭学科某个领域的能力。2物理海洋实验的基本设备物理海洋实验的设备种类繁多。根据不同的研究对象需要不同的实验设备。若以研究对象的尺度分类可分为小尺度现象模拟实验设备和大尺度现象模拟设备。其中有代表性的是风-浪-流水槽和地球流体旋转平台等。下面简要介绍我校海洋环境学院物理海洋和海洋学实验室的这几种基本设备。一．风-浪-流实验水槽风-浪-流实验水槽通过风机、造波机、流机，在封闭的管道中形成人工的风、浪、流，构建一个模拟海面实际情况的背景环境，能够局部再现海上风、浪、流以及相互作用的一些基本动力过程和各种小尺度物理海洋现象，可以运用各种技术手段，近距离的观测许多海洋现象，观察海洋的内部各种运动规律，还可以进行多种模拟实验。是物理海洋模拟实验特别是小尺度海洋实验常用的基本设备。图1风-浪-流水槽示意图我校海洋系物理海洋与海洋学实验室的风-浪-流水槽工作段高1.2m,宽0.8m,长25m，水槽底面离地面0.6m。整体采用全不锈钢框架结构。水槽的侧面和底面均为跨度为3m的双层玻璃板。水槽管路采用闭合回风和回流结构，回风和回流部分采用玻璃钢材料的管道。由于水槽的闭合性，槽内空气和水都可以加温，加二氧化碳。水槽顶盖两侧有双道轻轨，水槽上方的屋顶架设有负重导轨，为实验设备的架设和移动提供了方便。3水槽配设的风机可以产生从2m/s到15m/s的风速。流机可产生0.05m/s到1.0m/s的流速。造波机可制造昀大波面位移达30cm的规则波和随即波。这些基本功能可以满足许多物理海洋实验的要求。水槽的回风管道部分，有一个用于流体力学实验的标准风洞，可用于边界层实验，环境模拟实验，气象仪器检测，工程实验等等。图2风浪流水槽结构图在使用水槽之前，首先要了解实验水槽的基本情况，比如，水槽的风速变化范围，风浪基本参数，水流的参数等，这些参数对于合理选择实验区段，估计试验误差，减少实验的重复性和盲目性以及对于分析和判断实验室结果和海上现场调查结果之间的差别都是不可缺少的。二．地球流体旋转平台地球流体动力学实验研究的对象是地球上的大气和海洋等大中尺度运动过程和现象。在大中尺度过程中，地球旋转效应起着重要作用。为了模拟旋转坐标系中的地球流体运动，实验需在一个旋转条件下进行。旋转平台提供了一个模拟地球自转的实验条件。根据地球旋转流体实验的要求，转台需要具备如下基本条件：1.转速均匀，转速范围为0.5～30rpm，无级调速；2．转台具有一定的承载能力；3.转台平面水平，无明显起伏和振动；4.转台上下有集流环提供强电通道；5.转台上配有照明光源和相应的测量仪器；6.转台上架设随转台同步旋转的电子摄像机47.转台上下之间有遥控通道；8．转台配有自驱动流动装置或外循环流通道；.地转实验平台结构示意图根据不同的实验需要，转台上可安放各种水槽。水槽的样式可以是圆形、矩形、长形、扇形或者不规则形。以适应不同的实验需要。扇形水槽实验个例圆柱形水槽实验个例三.分层循环水槽为了模拟海洋中的层化流动或剪切流场中的各种现象和过程，需要一种能形成密度分层流的循环水槽。该水槽中形成密度分层后，利用特殊设计的动力装置5（Kovasznay泵）分别对每层流体以不同速般加以驱动，形成具有一定密度剖面和速度剖面的流动。这种装置对模拟大气扩散、海洋湍流、江河湖海中的异重流的运动规律具有特殊意义。该水槽一般用于研究连续层化流体方面的实验研究。因此该水槽还配有特殊的连续层化流体生成和保持的配套装置。除此之外，该水槽还可以做许多非层化的流体实验，如剪切流实验，湍流实验等。循环水槽示意图1循环水槽示意图26实验1风浪水槽平均风速测量一．本实验有关知识1.1流动和流速分类流体运动的测量是物理海洋实验昀基本和昀常见的内容（如平均风速，风速梯度，表面漂流，边界层剪切流，水中流速，以及湍流等的测量），同时往往又是其他实验的重要的背景条件。根据实验的具体需要和要求，流动参数可为不同的种类，如根据流体介质的不同可分为：气流、水流;根据速度的不同可分为：平均流速、变化量;根据测量点不同可分为：单点或数点、整个区域流速分布。流动是一种矢量，具有模量和方向，在有些实验中，需要测量三维流向。无论是大尺度运动实验还是小尺度现象观测都离不开流动参数或流场的测量。学习物理海洋实验必须从流动测量开始。只有扎实掌握流动的测量原理和基本方法，才能为深入学习和掌握物理海洋实验打好基础。1.2流动的常用测量方法1)示踪测流法(适用于低速、平均流速)在流体中混合有与流动同时运动的气泡或固体粒子示踪物，根据这些物质的运动轨迹获得流速或流线分布。示踪物可用空气泡、氢气泡、聚苯乙烯粒子、铝粉、烟雾粒子等。数据获取方法一般采用照相或录像，然后通过人工判读或图像处理获得流场或流速的分布情况。这种方法简单方便，一般用于定性分析。2)压差测流法(适用于中等流速、平均流速)利用绕流物体表面的压力差测量流速——皮托管。其精度高，稳定。常作为标准测量。其缺点主要有：容易堵塞、方向不易控制、影响流场（使雷诺数降低）。3)旋浆测流法(适用于中等流速、平均流速)利用旋浆转速与流速成正比的原理。接触气流的部分的形状为螺旋桨型或杯性。适合较大流路和野外使用。优点：耐用。缺点：精度一般。74）热线热膜测流法(HWA）热线采用直径为2—10微米的铂丝或钨丝，焊接在两根系金属架上，构成探针。利用细电阻丝的热传导与风速的函数关系制作。丝越细，响应越快。因此特别适用于变化的流速测量。热线探针分为一维探针、二维探针、三维探针；测量水流速时采用热膜探针。热线测速的优点主要有：1）体积小，对流场干扰小；2）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；除了测量平均速度外，还可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度分量。3）频率响应高，可高达1MHz。4）测量精度高，重复性好。热线测速的缺点是探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。5）超声多普勒测流法(ADV)(适用于低速、平均流速)根据多普勒原理，利用发射超声波（20kHz）脉冲在流动中的频率变化测量流速。有两种方法：A)在上下游各安置发一对发声器和接收器，根据两边的信号计算出流速。B)利用流动中的微粒子的反射声波的频率变化测量流速。6）激光多普勒测流法（LDV）(适用于全域风速、平均流速，变化流速)激光多普勒测速仪是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度昀高的仪器。其优点：不产生湍流、测量范围宽、空间分辨率高。缺点为信号处理复杂、调整麻烦、价格昂贵。7）粒子图像测流法（PIV)PIV是粒子图像测速仪的简称，它是九十年代后期成熟起来的流动显示技术的发展。它能够同时测量一个面上几万个点的速度，是激光技术、数字信号处理技术、芯片技术、计算机技术、图像处理技术等高新技术发展的综合结果。其原理如下：由脉冲激光器发出的激光通过由球面镜和柱面镜形成的片光源镜头组，照亮流场中一个很薄的（1－2mm）面；在于激光面垂直方向8的PIV专用跨帧CCD相机摄下流场层片中的流动粒子的图像，然后把图像数字化送入计算机，利用自相关或互相关原理处理，可以得到流场中的速度场分布。二．实验目的1）通过实验，掌握风浪水槽平均风速的测量的原理和方法。2）掌握补偿式微压计和皮托管风速传感器的原理和操作步骤；3）了解风浪流水槽的工作设备；三、实验中所用的测风仪器1．皮托管风速传感器图各种皮托管传感器皮托管是一种常用的测量平均风速的传感器。它在柱头部驻点位置开有一个小孔测量来流的全压强或滞止压力，侧壁开有一圈小孔或窄缝测量当地的静压强。低风速时，由全压强和静压强之差可以计算局部气流速度。()ppU−=02ρp其中，ρ为空气的密度，和0p分别为局地全压强和静压强。皮托管一般与微压计或压差传感器配合使用。2．YJB－1500补偿微压计9图YJB－1500补偿微压计YJB－1500补偿微压计用于测量气体的微小压力,负压力及压力差,也可用来校准其它压力计,可供实验室和计量单位使用。YJB型补偿微压计由微调部分、水准部分、反光镜部分及外壳部分组成。1