一種室內潮波生成器及其使用方法
2024-03-05 13:44:15
一種室內潮波生成器及其使用方法
【專利摘要】本發明公開一種室內潮波生成器及其使用方法，包括潮波套管系統、鹽水箱、水泵、連接系統、半活動式轉輪、電機和與電機相連的變壓器，潮波套管系統包括外管、底座以及安裝於外管內部的套管，套管內套有內溢流管，內溢流管的另一端依次連通鹽水箱和水泵，水泵的另一端與外管相連通；連接系統包括支架、定滑輪以及穿過定滑輪的鋼絲繩，鋼絲繩的一端連接於套管頂部，另一端連接於半活動式轉輪；半活動式轉輪安裝於轉動杆的一端，轉動杆另一端與電機和變壓器相連接。本發明的各部件布置合理佔用空間小，結構簡單，造價低廉，性能可靠，可靈活設置、穩定產生不同周期、不同振幅、不同水位的潮波信號條件；還可克服套管的阻礙作用，使得潮波信號更穩定。
【專利說明】一種室內潮波生成器及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種模擬海洋潮汐實驗裝置，具體涉及一種室內潮波生成器及其使用 方法。
【背景技術】
[0002]隨著沿海地區人口的劇烈增長、生產生活的日益頻繁，以地下水作為城市發展水 源供給的傳統供水方式一方面引發了地下水水位過度下降，造成愈發嚴重的鹽水入侵問 題，進一步汙染了水源，影響沿海地區的正常生活和社會發展；另一方面造成了大面積的土 地鹽鹼化，對於沿海地區的生態環境造成了重要影響，土地質量受損、生態群落不復存在， 原有淡水生物群落減少甚至瀕臨滅絕。
[0003]防治鹽水入侵問題已成為一個刻不容緩的問題，越來越多的研究者也在致力於這 一領域的研究。鑑於海水入侵涉及的因素複雜，藉助於物理模型實驗進行機理研究，可獲得 較為直觀的結果，也成為世界各國研究者的共同選擇。然而以往研究者往往忽略或簡化海 洋的條件，尤其是海洋重要的水動力因素--潮汐作用，將海洋作為靜水處理，這樣無法準 確描述海洋動力特徵，對於海水入侵及相關的海岸帶研究無法合理揭示，而在以往研究中， 潮波生成器造價高，且性能不穩定。
【發明內容】
[0004]發明目的：本發明的目的在於克服現有海岸帶研究過程中，或者忽略潮汐作用或 者將潮汐作用簡化為線性變化、並且潮波裝置可控條件少、調整及操作較為複雜等存在的 不足，提供一種室內潮波生成器及其使用方法，通過傳動裝置帶動套管做周期性正弦運動， 模擬海洋潮汐作用，利用簡單的物理原理，其結構簡單，造價低廉，性能可靠，使用方便。
[0005] 技術方案：本發明的一種室內潮波生成器，包括潮波套管系統、鹽水箱、水泵、連接 系統、半活動式轉輪和電機，所述潮波套管系統包括外管、安裝於外管底部的底座以及安裝 於外管內部的套管，套管內部的底部套有內溢流管，內溢流管的另一端依次連通鹽水箱和 水泵，水泵的另一端與外管相連通；所述連接系統包括支撐於潮波套管系統上方的支架、安 裝於支架頂端的定滑輪以及穿過定滑輪的鋼絲繩，所述鋼絲繩的一端連接於套管頂部使套 管懸於內溢流管，另一端連接於半活動式轉輪；所述半活動式轉輪安裝於轉動杆的一端，轉 動杆的另一端與電機相連接，電機上還連接有變壓器；鹽水由鹽水箱泵入潮波套管系統，在 套管上下移動過程中，鹽水在套管的阻擋下維持相應的高度；當鹽水水位超過套管水位後， 多餘部分從內溢流管溢出流入鹽水箱，從而通過套管高度的變化調節潮波套管系統內鹽水 水位。
[0006] 為了進一步的模擬實際海洋環境，所述外管還與鹽水庫相連接,且外管、套管和內 溢流管三者同心，套管在鋼絲繩的牽引下可沿著內溢流管上下移動。
[0007] 進一步的，所述套管底端的外壁上套有不鏽鋼環，能夠防止套管在下落過程中受 到內溢管摩擦而無法降落。
[0008] 進一步的，所述轉動杆的一端設有機芯孔，該機芯孔與電機的機芯孔重疊，所述轉 動杆的另一端設有凹槽，凹槽中安裝有半活動式轉輪，所述半活動式轉輪以電機為中心作 圓周運動以此改變套管的振幅。
[0009] 內溢流管的底部設有第一控制閥門，第一控制閥門上設有導管與鹽水箱相連通， 由此便可形成一個溢流循環和水位控制系統，即：鹽水由鹽水箱泵入套管系統，在套管的上 下移動過程中，鹽水在套管的阻擋下維持相應的高度，當超過套管水位後，多餘部分從內溢 流管溢出流入鹽水箱，最終潮波套管系統內鹽水水位可由套管高度控制。
[0010] 所述外管與鹽水庫之間設有第二控制閥門，進而可形成連通器，使得鹽水庫中的 水位與潮波套管系統中鹽水的水位保持同步，即，只要控制好潮波套管系統的水位即可控 制試驗中模擬真實海洋環境的鹽水可的水位。
[0011] 現有電機（市場上一般為2級電機）轉速為3000轉每分鐘，轉速極快，從而導致 潮波水位的極速升降，無法產生模擬正弦潮波信號；本發明中，電機與變速器連接，通過變 速器將電機的轉速由3〇〇〇轉每分鐘降低至0· 2?10轉每分鐘，實現周期的大幅調整（即 粗調）；再通過變壓器調整電壓，實現周期的小幅調整（即微調），以適合實驗的需求。
[0012] 本發明還公開了一種室內潮波生成器的使用方法，包括以下步驟：
[0013] A、按實驗所需，在鹽水箱中配好鹽水，按設定的潮汐振幅來移動半活動式轉輪，然 後固定於在轉動杆的凹槽中，拉緊鋼絲繩一端並繫緊與半活動轉輪上；
[0014] B、確定實驗所需設定的周期、振幅和平衡位置，關閉與鹽水庫相連的第二控制閥 門，打開水慄、電機和變壓器及相應的進出水閥門，隨套管升降觀察潮波套管系統中的鹽水 水位，刻畫初始最高、最低以及平衡潮波水位，並區分劃出實驗設定的最高、最低和平衡潮 波水位，依此進行比較調整直至滿足實驗設定要求；
[0015] C、待周期、振幅和平衡位置滿足預定要求後，打開與鹽水箱連接的第一控制閥門， 潮波生成器中的鹽水即可進入鹽水區，形成有潮波條件的海洋邊界。
[0016]進一步的，所述步驟B中調整實驗預定的最高、最低和平衡潮波水位的具體調整 方法為：在潮波水位處於刻畫的平均位置時，關閉電機；然後通過拉動鋼絲繩的方式重新 調整套管的高度，在實驗所要設定的平均位置處將鋼絲繩的另一端固定在半活動式轉輪 上，即可獲得所需潮波平衡位置，平衡位置和振幅確定後，即相應的確定出最高、最低潮波 水位，即獲得實驗設定的潮波條件。
[0017]有益效果：本發明，與現有技術相比具有以下優點：
[0018] (1)本發明利用簡單的物理原理，精巧的設計了造價低廉且高效的潮波生成器，結 構簡單，造價低廉，性能可靠。
[0019] (2)本發明充分利用潮波套管系統及連通器原理、合理布置各部件、佔用空間小、 結構簡單容易操作。
[0020] (3)本發明充分利用幾何原理設計轉動杆及半活動式轉輪，可以達到靈活設置、穩 定產生不同周期、不同振幅、不同水位的潮波信號條件的效果，為解決海岸帶問題提供可靠 的技術支撐。
[0021] (4)本發明通過電機周期性的轉動從而帶動套管的周期性的上下移動模擬海洋的 潮汐作用。
[0022] (5)本發明還通過在套管下方設置不鏽鋼環，克服套管的阻礙作用，使得潮波信號 更穩定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明的整體結構示意圖；
[0024] 圖2為本發明中連動杆的細部構造示意圖；
[0025]圖3為本發明產生的實際潮波信號與標準正弦信號對比示意圖；
[0026] 圖4為有無潮汐條件下的海水入侵實驗對比圖；
[0027]圖5為本發明的原理分析圖；
[0028] 圖6為圖5的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面對本發明技術方案結合附圖進行詳細說明。
[0030] 如圖1和圖2所示，本發明的一種室內潮波生成器，包括潮波套管3系統、鹽水箱 7、水泵6、連接系統、半活動式轉輪Η和電機12,潮波套管3系統包括外管1、安裝於外管1 底部的底座5以及安裝於外管1內部的套管 3,套管3內部的底部套有內溢流管2,內溢流 管2的另一端依次連通鹽水箱7和水泵6,水慄6的另一端與外管1相連通，外管1的另一 端還有用以模擬真實海洋環境的鹽水庫8相連通；連接系統包括支撐於潮波套管 3系統上 方的支架11、安裝於支架11頂端的定滑輪10以及穿過定滑輪10的鋼絲繩9,鋼絲繩9的 一端連接於套管3頂部，另一端連接於半活動式轉輪 14 ;半活動式轉輪14安裝於轉動杆13 的一端，轉動杆13的另一端與電機12相連接，電機I2上還連接有變壓器15，通過變壓器 15能夠達到變壓和穩壓的作用，進而調整並穩定電壓來控制電機 12電流的強弱，以此達到 控制電機12轉動快慢，最終模擬並精確控制所需穩定的潮汐周期。
[0031]其中，鋼絲繩9的一端連接套管3,另一端連接於轉動杆13上的半活動式轉輪 14， 這樣既起到了連接潮波套管3系統及轉動杆丨3的作用，又能夠便於調整套管3的位置，而 且鋼絲繩9的佔用空間小，可以通過控制鋼絲繩 9的長短，進而確定模擬潮波信號的平均海 水位，通過轉動杆13的固定位置確定振幅。
[0032]套管3底端的外壁上套有不鏽鋼環麼套管3在鋼絲繩9的牽引下可沿著內溢流 管2上下移動。不鏽鋼環4既能夠防止由於套管3過輕，導致在上升過程中發生抖動進而 造成潮波彳曰可不穩定的情況；另外，不鏽鋼環4還能防止在下降過程中，由於水的粘滯作用 以及套管3過輕等原因導致無法克服此粘滯力，造成套管 3無法下落。
[00_33]轉動杆13的一端設有機芯孔in，該機芯孔η-!與電機12的機芯孔13-丨重疊， 轉動杆Π 的另一端設有凹槽13-2,凹槽I3-2中安裝有半活動式轉輪14,半活動式轉輪 包括螺釘以及安裝於螺釘的轉輪，鬆動螺釘即可調整轉輪的位置，調整好位置後擰緊螺釘 即可固定轉輪位置，轉輪距離電機 12轉動機芯越近，潮波信號的振幅越小。 …、
[0034]上述潮波信號的平衡位置的設置，包括以下步驟：先開動電機12,觀察潮波位置 幾個周期，刻畫出潮波周期的平均位置；然後在潮波位置處於刻畫的平均位置時關閉電機 I2 ;最後通過拉動鋼絲繩9的方式重新調整套管3,在實驗所要設定的平均位置處將鋼絲 9固定在半活動式轉輪14上，即可獲得所需潮波平衡位置。 一
[0035]其中，半活動式轉輪Η以電機I2為中心作圓周運動，通過調整半活動式轉輪14 在轉動杆13凹槽13-2的位置即可調整轉動半徑，進而改變套管3振動的振幅，即潮汐振幅 條件。
[0036]本發明中採用半活動式轉輪14, 一方面可以靈活移動調整半徑，進而改變振幅； 另一方面半活動式轉輪14會以電機I2轉動機芯位置為圓心進行周期性轉動，並隨著轉動 杆I3的轉動，發生自轉，自動調整轉輪上的鋼絲繩 9位置，這樣既不會繞線又能使鋼絲繩9 保持緊繃狀態，從而保證套管3的周期性升降。
[0037]內溢流管2的底部設有第一控制閥門，第一控制閥門上設有導管與鹽水箱7相連 通，外管1與鹽水庫8之間設有第二控制閥門。
[0038]現有電機（市場上一般為2級電機）轉速為3〇〇〇轉每分鐘，轉速極快，從而導致 潮^水位的極速升降，無法產生模擬正弦潮波信號；本發明中，電機與變速器連接，通過變 速器將電機的轉速由3000轉每分鐘降低至〇· 2?10轉每分鐘，實現周期的大幅調整（即 粗調）；再通過變壓器調整電壓，實現周期的小幅調整（g卩微調），以適合實驗的需求。
[0039]本發明還公開了一種室內潮波生成器的使用方法，包括以下步驟：
[0040] A、按實驗所需，在鹽水箱7中配好鹽水，按設定的潮汐振幅來移動半活動式轉輪 14,然後固定於在轉動杆I3的凹槽13-2中，拉緊鋼絲繩9 一端並繫緊與半活動轉輪上； [0041] B、確定實驗所需設定的周期、振幅和平衡位置，關閉與鹽水庫8相連的第二控制 閥門，打開水慄6、電機12和變壓器15及相應的進出水閥門，隨套管3升降觀察潮波套管 3系統中的鹽水水位，刻畫初始最高、最低以及平衡潮波水位，並區分劃出實驗設定的最高、 最低和平衡潮波水位，依此進行比較調整直至滿足實驗設定要求；
[0042] C、待周期、振幅和平衡位置滿足預定要求後，打開與鹽水箱7連接的第一控制閥 門，潮波生成器中的鹽水即可進入鹽水區，形成有潮波條件的海洋邊界。
[0043]上述步驟B中，調整實驗預定的最高、最低和平衡潮波水位的具體調整方法為：在 潮波水位處於刻畫的平均位置時，關閉電機I2 ;然後通過拉動鋼絲繩9的方式重新調整套 管3的高度，在實驗所要設定的平均位置處將鋼絲繩9的另一端固定在半活動式轉輪 14 上，即可獲得所需潮波平衡位置，平衡位置和振幅確定後，即相應的確定出最高、最低潮波 水位，即獲得實驗設定的潮波條件。
[0044]本實施例中，外管1內徑為8cm，高度為150 cm，外管1內部套有與外管1同心的套 管3,套管3的內徑為6 αη，高度為60 cm，同時套管3內部還套有與套管3同心的內溢流管 2,內溢流管2的內徑為5 cm，高度為40 cm ;內溢流管2的頂部設有通孔，底部開口通過軟管 與鹽水箱7相通，使溢流出的水重新流入鹽水箱7中構成循環系統，既可提高工作效率又可 以減少水資源的浪費。當打開水慄6後，鹽水被慄入潮波套管 3系統，當水位超出內溢流管 2時，大部分鹽水即被溢流出去，重新返回鹽水箱7 ;-部分鹽水由於受到套管3的阻礙，水 位繼續上升，但是當水位高於套管3後，鹽水即通過套管3流入內溢流管 2,因 此潮波水位位 置可由套管3和內溢流管2控制。
[0045] 本實施例中，外管1的外部設置有4個連通口，其中有三個連通口與鹽水庫8相連 接，另一個連通口與水慄6相連通，進而與鹽水箱7相通，最終可以形成一個連通器，使得外 管1內的水位和鹽水庫8的水位高度保持同步升降。 '
[0046]本頭施例中，隨著電機12的轉動，轉動杆13上的半活動式轉輪14會以電機12轉 動機芯位置為圓心進行周期性轉動，並隨著轉動杆13的轉動，發生自轉，自動調整轉輪上 的鋼^繩9位置。同時將變壓器15與電機12串聯在一起，通過調控電流和幢，來穩壓使 潮波信號穩定，以及調整潮波信號的周期；而潮波信號的振幅可通過調整半活動式轉輪14 在凹槽13-2中的位置來控制。
[0047] 本實施例中的室內潮波生成器的原理如下：
[0048] 力方麵解，將半活動式轉輪Μ簡化為一個點，隨轉動杆n做圓周運動。如圖5 所示，忽略鋼絲繩9的變形，則套管3的上升或下降取決於鋼絲繩9從定滑輪1〇聯動佔到 半活動式轉輪14連接點的長度變化。 ^
[0049] 以電機12與轉動杆Π連接點為圓心，設為〇,則半活動式轉輪14以此為圓心做圓 周運動，做此軌跡線為輔助圓1，半徑為R，在轉動過程中，鋼絲繩 9在定滑輪1〇上的聯動佔 :直在右上半圓周變但由於定滑輪10半徑很小，為方便起見，選取兩切線，設切線延;^ 線交點為A ;連接Α0,受圓周於B、D，以Α為圓心，以AB、AD為半徑做輔助圓2和輔助圓3,可 知輔助圓2、輔助圓3分別與輔助圓1相切，則可知聯動點a到輔助圓丨距離的最小值為 AB、 最大值為AD，假定AB為基準線，設轉動到AC，轉動角為z： B0C,連接〇C、CD，則由圓的幾何性 質可知Z B0C = 2 Z CDB，設Z B0C為Θ，則z CDB = Θ /2,在Λ BCD中，由幾何知識可知 Z B0C - 90，g阿知BC = 2Rsin Θ /2,連接AC交輔助圓3於E,可知從0B轉動到0C，鋼絲 繩9變化長度即為EC，過兩圓切點，做切線BF交AC於F，則Z CBF+ Z CBO = Z CB0+ Z BDC = 90°，ZCBF=ZBDC= Θ/2,作 BG 垂直於AC 與 G，設 ZCAB= Θ,，則如圖 6 所示：
[0050]
【權利要求】
1. 一種室內潮波生成器，其特徵在於：包括潮波套管系統、鹽水箱、水泵、連接系統、半 活動式轉輪和電機，所述潮波套管系統包括外管、安裝於外管底部的底座以及安裝於外管 內部的套管，套管內部的底部套有內溢流管，內溢流管的另一端依次連通鹽水箱和水泵，水 泵的另一端與外管相連通；所述連接系統包括支撐於潮波套管系統上方的支架、安裝於支 架頂端的定滑輪以及穿過定滑輪的鋼絲繩，所述鋼絲繩的一端連接於套管頂部使套管懸於 內溢流管，另一端連接於半活動式轉輪；所述半活動式轉輪安裝於轉動杆的一端，轉動杆的 另一端與電機相連接，電機上還連接有變壓器；鹽水由鹽水箱泵入潮波套管系統，在套管上 下移動過程中，鹽水在套管的阻擋下維持相應的高度；當鹽水水位超過套管水位後，多餘部 分從內溢流管溢出流入鹽水箱，從而通過套管高度的變化調節潮波套管系統內鹽水水位。
2. 根據權利要求1所述的室內潮波生成器，其特徵在於：所述外管還與鹽水庫相連接， 且外管、套管和內溢流管三者同心，套管在鋼絲繩的牽引下可沿著內溢流管上下移動，控制 潮波水位。
3. 根據權利要求1所述的室內潮波生成器，其特徵在於：所述套管底端的外壁上套有 能夠使套管自由下落的不鏽鋼環。
4. 根據權利要求1所述的室內潮波生成器，其特徵在於：所述轉動杆的一端設有機芯 孔，該機芯孔與電機的機芯孔重疊，所述轉動杆的另一端設有凹槽，凹槽中安裝有半活動式 轉輪，所述半活動式轉輪以電機為中心作圓周運動進而改變套管的振幅。
5. 根據權利要求1所述的室內潮波生成器，其特徵在於：所述內溢流管的底部設有第 一控制閥門，第一控制閥門上設有導管與鹽水箱相連通，所述外管與鹽水庫之間設有第二 控制閥門。
6. 根據權利要求1所述的室內潮波生成器，其特徵在於：所述電機與變速器連接，通過 變速器將電機的轉速由3000轉每分鐘降低至0. 2?10轉每分鐘，實現周期的大幅調整；再 通過變壓器調整電壓，實現周期的小幅調整，以適合實驗的需求。
7. -種如權利要求1至6任意一項所述的室內潮波生成器的使用方法，其特徵在於： 包括以下步驟， A、 按實驗所需，在鹽水箱中配好鹽水，按設定的潮汐振幅來移動半活動式轉輪，然後固 定於在轉動杆的凹槽中，拉緊鋼絲繩一端並繫緊與半活動轉輪上； B、 確定實驗所需設定的周期、振幅和平衡位置，關閉與鹽水庫相連的第二控制閥門，打 開水泵、電機和變壓器及相應的進出水閥門，隨套管升降觀察潮波套管系統中的鹽水水位， 刻畫初始最高、最低以及平衡潮波水位，並區分劃出實驗設定的最高、最低和平衡潮波水 位，依此進行比較調整直至滿足實驗設定要求； C、 待周期、振幅和平衡位置滿足預定要求後，打開與鹽水箱連接的第一控制閥門，潮波 生成器中的鹽水即可進入鹽水區，形成有潮波條件的海洋邊界。
8. 根據權利要求7所述的室內潮波生成器的使用方法，其特徵在於：所述步驟B中調 整實驗預定的最高、最低和平衡潮波水位的具體調整方法為：在潮波水位處於刻畫的平均 位置時，關閉電機；然後通過拉動鋼絲繩的方式重新調整套管的高度，在實驗所要設定的平 均位置處將鋼絲繩的另一端固定在半活動式轉輪上，即可獲得所需潮波平衡位置，平衡位 置和振幅確定後，即相應的確定出最高、最低潮波水位，即獲得實驗設定的潮波條件。
【文檔編號】G01N17/00GK104297139SQ201410535865
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】金光球, 關偉強, 沈城吉, 謝天雲, 唐洪武, 王鋼鋼, 姜啟豪, 李凌 申請人:河海大學