一种实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统和方法技术方案

技术编号：41073910 阅读：9 留言：0更新日期：2024-04-24 11:31

本发明专利技术公开了一种实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统和方法，该系统包括水槽组件、在水槽组件内制造往往复流的动力组件，水槽组件包括左右两顶端开口、内部连通的U型水槽，水槽中部上端设有排除气泡的开口及与开口匹配的密封顶盖，开口的下方设有用于铺设沙床的沉槽；动力组件包括位于沉槽一侧的推波板，推波板由传动杆推动在水槽内往复运动制造往复流，从而带动沙床形态发生变化；该方法包括构建模拟海岸床面的环境；造往复流；采集水流和沙床变化图像，并进行沙纹形态演变及近底水动力特征分析。本发明专利技术解决了现有技术中在长直波浪水槽中进行实验难以准确地获取沙纹形态演变及近底水动力特征的问题。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海岸地貌研究，特别是涉及一种实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统和方法。

技术介绍

1、沙纹是河口海岸区域水动力塑造的最小地貌单元，泥沙颗粒在波浪作用下发生起动、输移和堆积，形成具有典型的韵律特征，波浪作用下水质点为往复运动，往复流条件下沙纹的研究是海岸动力学的经典课题。沙纹的起伏形态会改变底床的粗糙度，扰动近底水流，产生的涡旋结构极大增强了水体紊动和泥沙再悬浮，对泥沙通量的贡献可达平床条件的两倍。加深对沙纹形态演变规律和机制的认识，才能更精确地预测河口海岸区域的近底水动力过程、泥沙输运乃至大尺度长周期地貌演变。因此，沙纹形态演变过程及近底动力特征的模拟和监测对于构建沙纹形态演变经验预测公式、掌握演变机制具有重要意义。

2、目前对于往复流条件下沙纹形态演变的模拟装置很少见，未见可适用于实验室研究的形态演变模拟及近底水动力特征的监测系统。而针对沙纹形态演变的实验室研究大多在长直波浪水槽中进行，长直波浪水槽需要稳定段、试验段、消波段，其中稳定段和消波段所需距离较长，因此空间占用较大，且实际可利用的试验段较短，开展实验所需水量和沙量大。同时，长直波浪水槽底部粗糙，沿程底摩阻大且不均匀，波浪沿程耗散大，试验段波浪不稳定，实验时需对试验段进行严格而复杂的率定。此外，在长直波浪水槽中通常采用单点流速仪器测量近底流速过程，难以捕捉沙纹床面近底复杂的水体紊动。因此，一种用于往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力模拟和监测系统的开发很有必要。

技术实现思路</p>

1、专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统和方法，通过制造往复流能够更加准确地获取沙纹形态演变及近底水动力特征。

2、技术方案：为实现上述目的，本专利技术所述的一种实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，该系统包括模拟海岸床面环境的水槽组件、在水槽组件内制造往往复流的动力组件，水槽组件包括左右两顶端开口、内部连通的u型水槽，水槽中部上端设有排除气泡的开口及与开口匹配的密封顶盖，开口的下方设有用于铺设沙床的沉槽；动力组件包括位于沉槽一侧的推波板，推波板由传动杆推动在水槽内往复运动制造往复流，从而带动沙床形态发生变化。

3、所述密封顶盖包括大顶盖，大顶盖上还有开孔及与开孔匹配的具有密封性的小顶盖。

4、其特征在于，所述水槽、大顶盖、小顶盖、推波板均由透明材料制成的结构。

5、所述水槽内设有导轨，推波板沿着导轨在水槽内往复运动。

6、在所述沉槽和推波板之间设有下凹的滤沙口。

7、所述沉槽内设有通过密封塞调节高度的沙板，沙床铺在沙板上。

8、所述沙床的沙粒为粘性沙或粉沙或细沙。

9、所述动力组件还包括连接在传动杆另一端的电动缸，电动缸由控制器控制的伺服电机带动工作。

10、所述系统还包括采集水槽组件内部环境变化的监测组件，监测组件包括位于密封顶盖上方向沙床断面发射线激光的激光发射器、采集包含线激光区域图片的第一高速相机、采集沙床表面变化的第二相机。

11、本专利技术所述的一种实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的方法，包含以下过程：

12、s1：构建模拟海岸床面的环境；

13、在沉槽内铺设沙床，沙床表面与沉槽上端齐平，通过水槽左端顶部开口向内加水，至水位与开口处底部平齐，并刮出在水槽上侧内壁上形成的气泡后，继续加水至水位与开口处上部平齐，盖上密封顶盖，使得开口处下方形成一个密闭的无明显气泡的空间；继续加水至水槽左右端两端水位高出密封顶盖；其中加入的水包含多组随着水流在水体中运动是示踪粒子；

14、s2：利用控制器设置动力组件工作参数，使得推波板沿着导轨往复运动制造往复流；

15、s3：采集断面和沙床变化图像；

16、激光发射器产生线激光，垂直向下照射测试区域的断面，利用第一高速相机连续采集包含断面的图片，通过分析图片中示踪粒子的运动规律，从而监测近底水动力特征；

17、利用第二相机以n秒的频率采集沙床侧向图片，通过分析图片中沙纹的状态，从而监测沙纹形态演变过程；当沙床发生堆积形成韵律形沙纹形态特征时，停止实验。

18、有益效果：本专利技术具有如下优点：1、本专利技术水槽测试区域顶部采用可拆卸结构设计，在进水过程中，能高效地将水槽内的气泡驱赶到双圆形顶盖区域，并最终关闭顶盖以实现密封，从而减少顶部气泡对实验观测的影响，提高往复流条件下沙纹形态演变模拟的准确性；

19、2、本专利技术结构简单、占用空间小、易于观测、适用性强，相比与大型波浪长直水槽，本专利技术u型水槽通过中间封闭的u型设计配合推波板的运动，可以有效的产生与波浪相同的水流往复运动，对沙床的作用与波浪条件下一致，常用的波浪水槽长度大约需要80m，实际可使用的区域为中段10-20m，每组次试验需要400-500kg不等泥沙和20-40m3的水，造波的时长也需要严格控制，时间过长会导致波浪的反射加剧，影响试验区域沙纹形态，相对于大型波浪长直水槽下的往复流，本专利技术在实验过程中仅需要约100kg泥沙和3m3水，且占用空间小，提高了实验的可操作性；

20、3、在沉槽内铺设沙子，形成海岸床面，使得沙床表面与水槽的底部(沉槽上端口)平齐，有助于控制作用在沙床表面的水动力；

21、4、本专利技术能够实现在实验室研究不同粒径泥沙颗粒条件下沙纹的形态演变过程及近底水动力特征，从而验证已有沙纹平衡形态经验预测公式，并进一步量化不同粒径、不同动力条件下沙纹形态特征(如沙纹波长和波高)变化规律提供科学依据；底床粗糙度是大尺度数值模拟中的重要参数，与沙纹高度线性相关，本专利技术可为未来大尺度地貌演变的准确模拟提供重要支撑。

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【技术保护点】

1.一种实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，该系统包括模拟海岸床面环境的水槽组件、在水槽组件内制造往往复流的动力组件，其特征在于，水槽组件包括左右两顶端开口、内部连通的U型水槽(1)，水槽(1)中部上端设有排除气泡的开口(1.1)及与开口(1.1)匹配的密封顶盖，开口(1.1)的下方设有用于铺设沙床的沉槽(1.2)；动力组件包括位于沉槽(1.2)一侧的推波板(9)，推波板(9)由传动杆(10)推动在水槽(1)内往复运动制造往复流，从而带动沙床形态发生变化。

2.根据权利要求1所述的实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，其特征在于，所述密封顶盖包括大顶盖(3)，大顶盖(3)上还有开孔(3.1)及与开孔(3.1)匹配的具有密封性的小顶盖(4)。

3.根据权利要求2所述的实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，其特征在于，所述水槽(1)、大顶盖(3)、小顶盖(4)、推波板(9)均由透明材料制成的结构。

4.根据权利要求1所述的实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹

5.根据权利要求1所述的实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，其特征在于，在所述沉槽(1.2)和推波板(9)之间设有下凹的滤沙口(7)。

6.根据权利要求1所述的实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，其特征在于，所述沉槽(1.2)内设有通过密封塞(6)调节高度的沙板(5)，沙床铺在沙板(5)上。

7.根据权利要求1所述的实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，其特征在于，所述沙床的沙粒为粘性沙或粉沙或细沙。

8.根据权利要求1所述的实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，其特征在于，所述动力组件还包括连接在传动杆(10)另一端的电动缸(13)，电动缸(13)由控制器(14)控制的伺服电机(13)带动工作。

9.根据权利要求1所述的实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，其特征在于，所述系统还包括采集水槽组件内部环境变化的监测组件，监测组件包括位于密封顶盖上方向沙床断面发射线激光的激光发射器(15)、采集包含线激光区域图片的第一高速相机(16)、采集沙床表面变化的第二相机(17)。

10.一种实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的方法，其特征在于，包含以下过程：

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【技术特征摘要】

1.一种实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，该系统包括模拟海岸床面环境的水槽组件、在水槽组件内制造往往复流的动力组件，其特征在于，水槽组件包括左右两顶端开口、内部连通的u型水槽(1)，水槽(1)中部上端设有排除气泡的开口(1.1)及与开口(1.1)匹配的密封顶盖，开口(1.1)的下方设有用于铺设沙床的沉槽(1.2)；动力组件包括位于沉槽(1.2)一侧的推波板(9)，推波板(9)由传动杆(10)推动在水槽(1)内往复运动制造往复流，从而带动沙床形态发生变化。

4.根据权利要求1所述的实验室用于模拟和监测往复流条件下沙纹形态演变及近底水动力特征的系统，其特征在于，所述水槽(1)内设有导轨(8)，推波板(9)沿着导轨(8)在水槽(1)内往复运动。

5.根据权利要求1所述的实验室用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳闯，宗新然，程婷，龚政，陈欣迪，葛冉，徐贝贝，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：

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