一种海洋湍流定点混合仪及其使用方法技术

本发明专利技术提供了一种海洋湍流定点混合仪及其使用方法,其利用声学多普勒三维点式流速测速仪(ADV)同时、同点测量同一运动质点的速度和温度，利用实现时间梯度与空间梯度的转换或频率谱与波数谱的转换的泰勒冻结假设，得到相应的观测谱，并与惯性子区和耗散子区理论谱进行比对，实现在1-5000米海深定点测量湍流热耗散率和湍动能耗散率。其中温度传感器和速度传感器外壳为钛合金，最大耐压5000米海深。

【技术实现步骤摘要】
一种海洋湍流定点混合仪及其使用方法
本专利技术属于海洋探测
，具体涉及一种海洋湍流定点混合仪及其使用方法，其能够同时、同点测量同一运动质点的速度和温度。
技术介绍
海洋混合的观测和研究对于理解大洋环流的维持有着重要的意义，在海洋环流模式的模拟和预测中，测量湍流混合参量起着重要作用(Bryan,1987；Zhang,etal,1996；Jin,etal,1999),对于完善海洋模式参数化方案也有十分重要的科学意义，它是提高海洋预报能力的关键技术，且能够促进海洋模式的发展和验证。由于海洋湍流微结构观测受到国内外关注，湍流微结构剖面仪的研究取得一系列进展且形成了系列产品，如加拿大的camel、EPSONDE、VMP等系列，美国的AMP、TOPS、HRP等系列，日本的TurbMAP系列，欧洲其他国家的PROTAS、MSS等系列。国内对海洋湍流微结构剖面仪的研究刚刚起步，仅天津大学完成了海洋微结构湍流剖面仪速度剪切样机的研制，中国科学院南海海洋研究所完成了海洋温度微结构样机的研制，但还未形成产品。目前湍流热扩散系数，常规的观测主要有两类：其一，在各向均匀同性湍流假设的条件下，利用自由下落式装备测量温度梯度方差，然后通过Osborn&Cox(1972)公式估算湍流热扩散系数；其二，通过自由下落式装备测量湍动能耗散率，然后通过Osborn公式估算湍流涡扩散系数，最后假设湍流密度脉动主要在温度脉动产生前提下，湍流热扩散系数等价于涡扩散系数，得出湍动能耗散率与热耗散率的关系。对于微结构剖面湍动能耗散率和湍流热耗散率的观测,目前,浅海和深海的观测均有报道。但是由于随船剖面观测的局限性，垂向剖面混合观测很难与大尺度海洋事件直接相关。随着提高海洋测量精度的现实需要，定点湍流混合的观测越来越受到重视[Moum，2007；MoumandNash2009]。定点湍流混合的热扩散率观测通过时间序列的湍流混合研究，成功地揭示了湍流混合对西太暖池在El-Nin～o事件前形成的机制。但是，目前海洋湍流混合的测量是剖面观测仪，必需随船进行耗费大量的船时。Moum，2007；MoumandNash2009仅仅是对热扩散率的定点观测。随着海洋探测的需要，要想实现海洋湍动能耗散率与热耗散率同步、同点观测，急需一种能够定点观测海洋湍流混合的仪器。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种海洋湍流定点混合仪及其使用方法，其能够同时、同点测量同一运动质点的速度和温度，利用泰勒冻结湍流假设，计算出波数谱，并与惯性子区和耗散子区理论谱进行比对，实现在1-5000米海洋定点测量湍流混合率。依据本专利技术，提供一种海洋湍流定点混合仪，其利用声学多普勒三维点式流速测速仪(ADV)和海洋探测快速温度传感器同时、同点测量同一运动质点的速度和温度，利用泰勒冻结湍流假设(可实现时间梯度与空间梯度的转换，或频率谱与波数谱的转换，如温度频率谱φT(f)，通过泰勒冻结假设k＝2πf/U，可以转换为波数谱φT(k)＝φT(f)U/(2π)；其中k表示波数(1/m)，f表示频率(1/s)，U是平均流速(m/s))，得到相应的观测谱，并与惯性子区(湍流动能谱(或温度谱)存在惯性子区与波数服从-5/3次指数关系[Grantetal.,1962,1968])或耗散子区(对于速度梯度谱与波数服从Nasmyth理论曲线[Oakey,1982]，温度梯度谱与波数服从Batchelor理论曲线[Oakey,1982])相应的理论谱进行比对，实现在1-5000米海洋定点测量湍流混合率。优选的海洋湍流定点混合仪包括快速温度传感器、声学多普勒三维点式流速测量仪(ADV)、6000米水深耐压钛合金电池仓，快速温度传感器通过耐压水密线连接ADV后盖特制8芯接口，以上五部分组成海洋湍流定点混合仪，可以在1-5000米水下同点观测湍流混合率。进一步，海洋湍流定点混合仪中的快速温度传感器由8部分(探头37、钛合金弯形管36、锥形管35、第一圆筒管34、内丝扣连接件(锥形管35与第一圆筒管34之间连接件，(图3中未标出))、外螺丝33、第二圆筒管32、第三圆筒管31)组成；快速温度传感器的耐压外壳采用TC4钛合金棒加工而成，快速温度传感器包括探针部分37、最前面的钛合金管外加聚酯材料保护的弯形外壳、多节圆筒及连接件结构；具体连接关系如下：探头37插入钛合金管36中，钛合金管36置入锥形管35中壁厚1.2mm的第一圆筒管34，锥形管35与第一圆筒管34由内丝扣连接件连接，有外丝扣的第一圆筒管34一端置入第二圆筒管32的内丝扣中连接，同时再通过外螺丝33固定第一圆筒管34和第二圆筒管32，第二圆筒管32的另一端的外丝扣与含有内丝扣的第三圆筒管31连接。其中第三圆筒管31中设置有电路，并与水密线连接。优选地，三维流速测量仪(ADV，含姿态校正传感器IMU)是Notek公司产品，以100～250Hz频率测量单点三维流速，经过数字滤波后输出1～64Hz的三维流速数据。内置姿态传感器(IMU)，可以校正三维流速测量仪姿态。可用于相对坐标和自然坐标下测量三维流速。更优选地，海洋湍流定点混合仪中使用4个额外的6000米水深耐压钛合金电池仓，管壁厚0.8cm，仓体内径61.5mm，有效容积长度460mm，可以放2组450Wh锂电池组。电池仓与ADV主机用Y型水密线连接，每根线有2芯，可同时连接4个电池仓。进一步，海洋湍流定点混合仪中使用快速温度传感器通过耐压水密线连接ADV后盖特制8芯接口，用于数据传输和供电需求；快速温度传感器和三维流速测量仪(ADV，含姿态校正传感器)的测量点是同一点，快速温度传感器采样信号一路与ADV的采样信号同步，采样频率1-64Hz可调，另一路为更高频采样，采样频率1-512Hz可调；快速温度传感器和ADV产品外壳由TC4钛合金加工而成，由316不锈钢支架将ADV和快速温度传感器固定在支架上，并保证快速温度传感器探头位于ADV测量点上。外支架形成的园柱绕流对流场的影响在测量点要忽略不计。依据本专利技术的第二方面，提供一种使用上述海洋湍流定点混合仪的方法,其包括以下步骤：第一步，三维流速测量仪和快速温度传感器同步采集同一点的三维流速(u1,v1,w1)和温度(T)，通过三维流速测量仪自带的罗经和水平仪测量三维流速测量仪姿态得到真实流速(u,v,w)，然后求得各真实速度的脉动值u′,v′,w′。根据涡动相关法，海洋湍流热通量FT可以表示为：式中FT是测量点的湍流热通量(W/m2)，Cp为海水的定压比热容(J/kg/K)，ρ是海水密度(kg/m3)，w′是海水垂向速度的脉动值(m/s)，T'是测量点的温度脉动值(K)，上划线表示时间序列的平均。第二步，湍流动量通量(N/m2)可以通过以下计算公式得到：其中u',v'分别为水平东西南北向速度脉动值(m/s)。第三步，湍动能耗散率ε(W/kg)湍动能耗散率ε(W/kg)的计算有如下两种方法：惯性子区法(-5/3定律普适谱)和耗散子区法(Nasmyth普适谱)(1)惯性子区法(Kolmogorov-5/3定律普适谱)惯性子区法求湍动能耗散率具体如下：在充分发展湍流中，湍流能谱存在惯性子区服从-5/3次指数关系φii(k)＝αiε2/3k-5/3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海洋湍流定点混合仪，其利用声学多普勒三维点式流速测速仪(ADV)同时、同点测量同一运动质点的速度和温度，利用泰勒冻湍流结假设实现时间梯度与空间梯度的转换或频率谱与波数谱的转换，得到相应的观测谱，并与惯性子区或耗散子区相应理论谱进行比对，实现在1‑5000米海深定点测量湍流混合率。

【技术特征摘要】
1.一种海洋湍流定点混合仪，其利用声学多普勒三维点式流速测速仪同时、同点测量同一运动质点的速度和温度，利用泰勒冻湍流结假设实现时间梯度与空间梯度的转换或频率谱与波数谱的转换，得到相应的观测谱，并与惯性子区或耗散子区相应理论谱进行比对，实现在1-5000米海深定点测量湍流混合率；所述海洋湍流定点混合仪包括快速温度传感器、声学多普勒三维点式流速测速仪和6000米水深耐压钛合金电池仓，快速温度传感器通过耐压水密线连接声学多普勒三维点式流速测速仪后盖特制8芯接口，海洋湍流定点混合仪在1-5000米水下同点观测热通量、动量通量、湍动能耗散率和热耗散率；其中，快速温度传感器由探头(37)、钛合金弯形管(36)、锥形管(35)、第一圆筒管(34)、外螺丝(33)、第二圆筒管(32)和第三圆筒管(31)组成，内丝扣连接件设置在锥形管(35)与第一圆筒管(34)之间，快速温度传感器的耐压外壳采用TC4钛合金棒加工而成，探头(37)插入钛合金弯形管(36)中，钛合金弯形管(36)置入锥形管(35)中，第一圆筒管(34)，壁厚1.2mm，锥形管(35)与第一圆筒管(34由内丝扣连接件连接，有外丝扣的第一圆筒管(34)一端置入第二圆筒管(32)的内丝扣中连接，同时再通过外螺丝(33)固定第一圆筒管(34)和第二圆筒管(32)，第二圆筒管(32)的另一端的外丝扣与含有内丝扣的第三圆筒管(31)连接；其中第三圆筒管(31)中设置有电路，并与水密线连接。2.依据权利要求1所述的海洋湍流定点...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚晓东，陈桂英，余凌晖，
申请(专利权)人：中国科学院南海海洋研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44