本发明专利技术公开了一种层化环境热浮力射流的实验装置及方法。热浮力射流实验装置主要包括以下三个部分：PIV和热像仪测量系统、“双缸法”层化水体生成装置以及热浮力射流出流装置。装置包括溶液密度不同的两个水箱、试验水箱、PIV和热像仪系统、恒温加热水箱及射流喷头。加热水箱底部配备有流量泵，流量泵通过橡胶管连接至配有三通管的热浮力射流喷嘴。该系统可以生成折射率一致的层化水体，开展任意分层层化环境下热浮力射流实验，满足同时测量热浮力射流流场和水面温度场的实验条件，结构简单，使用方便，具有很好的可靠性、准确性和易用性。准确性和易用性。准确性和易用性。
【技术实现步骤摘要】
层化环境热浮力射流的实验装置及方法
[0001]本专利技术属于浮力射流
，具体涉及一种层化环境热浮力射流的实验装置及方法。
技术介绍
[0002]浮力射流指的是受浮力驱动的柱状流体运动现象，广泛存在于自然界和实际工程中，如火山喷发、深海热液羽流、近海温排水、工厂热废气等。在由于温、盐差异导致的层结环境中，热浮力射流的动力过程较为复杂。热浮力射流在浮力作用下并不会一直向上运动，在温盐差异引起的层结环境下，热浮力射流会与环境流体不断掺混，导致其与环境流体间的密度差逐渐减小，在到达最大上升高度后发生回弹，稳定在中性浮力层(密度差为零)附近，随后仅产生水平方向的扩散，热浮力射流的长期积聚效应会显著影响区域的能量平衡和水化学组分，对生态环境产生负面影响。因此，深入了解热浮力射流在层结环境中的运动规律及其作用机制对环境保护、生态环境评价、工程设计等具有重要的科学意义和实用价值。
[0003]水槽实验是研究热浮力射流的经典方法，普遍使用的流场测量方法为粒子图像测速技术(PIV)，而目前采用的高精度非侵入式测温方法一般为热像仪测温法(IR)。但现已公布的技术方案中，还不存在可以同时测量流场和温度场，还能实现任意分层层化水体的配制，并且能够实现折射率匹配的热浮力射流实验装置系统。
技术实现思路
[0004]本专利技术克服了现有技术中的不足，本专利技术提供了层化环境热浮力射流的实验装置及方法。
[0005]本专利技术的一方面提供了一种层化环境热浮力射流的实验装置。包括盐水水箱、乙醇溶液水箱、试验水箱、红外热像仪、PIV系统、加热水箱和射流喷头。
[0006]所述盐水水箱下部设有水管和第一出水阀门，该第一出水阀门通过水管接入乙醇溶液水箱；所述乙醇溶液水箱设有水箱搅拌器，该乙醇溶液水箱下部设有第二出水阀门，该第二出水阀门通过另一水管接入试验水箱，该水管出口设有圆盘出流装置，圆盘出流装置位于试验水箱的一侧。
[0007]所述射流喷头固定在试验水箱另一侧上的可调节支架上，射流喷头的入流口通过电磁阀后接入加热水箱；所述加热水箱配有由射流主管道、旁通电磁阀、旁通管和第三出水阀门共同构成的三通结构。
[0008]所述盐水水箱、乙醇溶液水箱液面高度一致、溶液体积一致，溶液折射率一致，通过控制第二出水阀门和第一出水阀门的流量关系，即可生成任意分层情况的层结水体，当第二出水阀门为第一出水阀门流量的两倍时，即可生成均匀线性层结水体。本专利技术的另一方面提供了一种层化环境热浮力射流的实验方法，采用上述浮力射流实验装置，包含以下步骤：
[0009]a.安装PIV系统和红外热像仪，将射流喷嘴固定在试验水箱中，并连接好喷嘴和加热水箱之间的橡胶软管；随后，将PIV系统的激光发射器安装在试验水箱上方的滑轨上，调整激光面使其垂直射入水面，将PIV系统的高速相机放置在水槽侧面，调整相机三脚架高度使热浮力射流喷嘴处于相机视图的合适区域，连接相机至高性能计算机；将红外热像仪也安装在试验水箱上方的滑轨上，利用另一台计算机连接该红外热像仪。
[0010]b.制备层结水体，提前制备好密度不同折射率一致的盐水和乙醇溶液，分别将盐水和乙醇溶液泵入盐水水箱和乙醇溶液水箱，将盐水溶液以A L/h的速率从盐水水箱泵入乙醇溶液水箱，溶液经乙醇溶液水箱中的搅拌器搅拌后，再以2A L/h的速率泵入试验水箱，即可生成折射率一致的线性层结环境；改变第二出水阀门和第一出水阀门的流量关系，亦可按需生成折射率一致的非均匀层结环境或两层层化水体。
[0011]c.采用加热水箱加热热浮力射流补充液，采用搅拌器搅拌加热水箱以消除溶液的内部温度梯度。
[0012]d.利用带旁通电磁阀的旁通管预先排出一定体积的热浮力射流，预热位于水下的橡胶软管；采用K型穿刺式热电偶测量旁通管出流温度，确保出流温度稳定。
[0013]e.关闭旁通管，打开第三出水阀门，模拟层化水体中热浮力射流的出流过程。
[0014]f.利用PIV系统和红外热像仪记录试验水箱内流体的运动变化过程，开展热浮力射流的流速和温度测量。
[0015]本专利技术的有益效果如下：
[0016]1.本专利技术热浮力射流实验装置及方法结构简单，使用方便，具有很好的可靠性、准确性和易用性。
[0017]2.生成层化水体的目的是为了模拟实际海洋环境中的由于温盐差异导致的层化现象，因此至关重要。本专利技术可以制备任意分层条件的层化水体，并证明当两个水箱的液面保持高度一致，溶液体积一致时，通过考虑乙醇溶液水箱在一段时间内的水体质量守理论，通过理论计算得出当控制乙醇水箱的出流流量为盐水溶液水箱出流流量的两倍时，就可以生成线性层结的水体；考虑盐溶液水箱优先加入溶液并泵入试验水箱，而后在乙醇溶液水箱加入溶液再泵入试验水箱，就可以生成两层层结水体；改变两个水箱的出流流量关系，亦可以生成非均匀层结水体。同时，本专利技术采用圆盘出流的方式，从而减少出流动量和增加出流面积，进而减少出流对于流体的扰动。
[0018]3.由于流体间密度差引起的折射率差异会导致PIV测量过程中出现图像模糊和噪点问题，从而造成分析结果中出现伪脉动速度，导致湍流相关参数的计算错误。本专利技术兼顾操作便捷性和安全性，选取了折射率相同密度不同的两种溶液，分别是乙醇溶液/盐溶液，通过“双缸法”制备出折射率一致的任意分层层结环境。
[0019]4.本专利技术运用PIV系统和热像仪技术，PIV系统主要由激光发射器、高速相机和高性能计算机组成。可以清晰记录粒子的运动轨迹和实时位置图像，热像仪安置在试验水箱的正上面，自上而下测量水面温度，可忽略大气透射带来的影响，进而同时获取高精度的流体状态信息。
[0020]5.本专利技术为确保热浮力射流的出流密度小于环境水体，实验选取乙醇溶液作为热浮力射流补充液。采用由温控传感器、温控开关和加热设备组成的加热水箱对补充液进行加热。实验前，利用带电磁阀的旁通管预先排出一定体积的热浮力射流，可以减少热浮力射
流补充液在后续传输中的热量损失，提高实验精度。
附图说明
[0021]图1为本专利技术结构示意图；
[0022]图2为本专利技术右视图。
[0023]其中，1、盐水水箱；2、乙醇溶液水箱；3、水箱搅拌器；4、第二出水阀门；5、水管；6、第一出水阀门；7、圆盘出流装置；8、试验水箱；9、红外热像仪；10、激光发射器；11、射流喷头；12、可调节支架；13、电磁阀；14、射流主管道；15、旁通电磁阀；16、旁通管；17、加热水箱；18、高速相机。
具体实施方式
[0024]下面结合附图对本专利技术具体实施方式作进一步详细说明。
[0025]本专利技术包括盐水水箱、乙醇溶液水箱、试验水箱、红外热像仪、PIV系统、加热水箱和射流喷头。所述盐水水箱下部设有水管和第一出水阀门，该第一出水阀门通过水管接入乙醇溶液水箱；所述乙醇溶液水箱设有水箱搅拌器，该乙醇溶液水箱下部设有第二出水阀门，该第二出水阀门通过水管接入试验水箱，水管出口设有圆盘出流装置。所述射流喷头固定在试验水箱上的可调节支本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.层化环境热浮力射流实验装置，其特征在于：包括盐水水箱（1）、乙醇溶液水箱（2）、试验水箱（8）、红外热像仪（9）、PIV系统、加热水箱（17）和射流喷头（11）；所述盐水水箱（1）下部设有水管（5）和第一出水阀门（6），该第一出水阀门（6）通过水管（5）接入乙醇溶液水箱（2）；所述乙醇溶液水箱（2）设有水箱搅拌器（3），该乙醇溶液水箱（2）下部设有第二出水阀门（4），该第二出水阀门（4）通过另一水管接入试验水箱（8），该水管出口设有圆盘出流装置（7），圆盘出流装置（7）位于试验水箱（8）的一侧；所述射流喷头（11）固定在试验水箱（8）另一侧上的可调节支架（12）上，射流喷头（11）的入流口通过电磁阀（13）后接入加热水箱（17）；所述加热水箱（17）配有由射流主管道（14）、旁通电磁阀（15）、旁通管（16）和第三出水阀门（13）共同构成的三通结构；所述盐水水箱（1）、乙醇溶液水箱（2）液面高度一致、溶液体积一致，溶液折射率一致，通过控制第二出水阀门（4）和第一出水阀门（6）的流量关系，可生成任意分层的层结水体，当控制第二出水阀门（4）为第一出水阀门（6）流量的两倍时，即可生成均匀线性层结水体。2.根据权利要求1所述的热浮力射流实验装置，其特征在于：所述射流喷头（11）可自由调节高度和角度。3.根据权利要求1所述的热浮力射流实验装置，其特征在于：所述PIV系统主要由激光发射器（10）、高速相机（18）和高性能计算机组成，运用图像互相关算法进行后处理。4.根据权利要求1所述的热浮力射流实验装置，其特征在于：所述红外热像仪（9）安置在试验水箱（8）的正上面，自上而下测量水面温度。5.根据权利要求1所述的热浮力射流实验装置，其特征在于：加热水箱（17）包括温控传感器、温控开关和加热设备，加...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺治国，张浩阳，陈亚楠，李莉，林颖典，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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