本發(fā)明屬于流體力學(xué)，具體涉及一種可控傾斜回正的內(nèi)孤立波實(shí)驗(yàn)水槽裝置。

背景技術(shù)：

1、內(nèi)波是發(fā)生在海洋內(nèi)部的一種大尺度波動(dòng)，其振幅可以達(dá)到200米以上，波長(zhǎng)可以達(dá)到千米級(jí)別，波致速度達(dá)到2m/s以上，是海洋環(huán)境輸運(yùn)的重要組成部分。內(nèi)波在傳播過程中，會(huì)逐漸分裂為一系列單獨(dú)的內(nèi)孤立波，在非線性特性與色散特性的平衡下，可以維持穩(wěn)定的波形傳播數(shù)千公里，是海洋結(jié)構(gòu)物與潛航器必須考慮的災(zāi)難性環(huán)境因素。然而，除內(nèi)波外，海洋中還存在著大量的其他流動(dòng)現(xiàn)象，如洋流、潮流、沿岸流等，這些流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)孤立波的特性發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致其對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物與潛航器影響的變化。因此，揭示背景流對(duì)內(nèi)孤立波特性的影響具有重要的科學(xué)意義與工程價(jià)值。

2、目前內(nèi)波研究主要依賴四類手段：利用潛標(biāo)、聲學(xué)多普勒流速剖面儀等設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，存在成本高和重復(fù)性差等缺點(diǎn)；利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，存在計(jì)算成本高、準(zhǔn)確性不足等缺點(diǎn)；利用korteweg-de?vries（kdv）方程等理論進(jìn)行分析，存在假設(shè)過多、適用性差等缺點(diǎn)；利用分層水槽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，具有參數(shù)可控、可視化強(qiáng)、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，是驗(yàn)證理論與數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的核心手段。現(xiàn)有技術(shù)中，申請(qǐng)?zhí)枮閏n201720006660.x的專利提出了一種基于雙推板的實(shí)驗(yàn)水槽，通過不同流體層的速度差異生成內(nèi)孤立波；申請(qǐng)?zhí)枮閏n201710550644.1的專利提出了一種適用于內(nèi)孤立波和內(nèi)波的實(shí)驗(yàn)水槽，利用重力塌陷法生成內(nèi)孤立波，并通過圓箱的上下周期運(yùn)動(dòng)生成內(nèi)波；申請(qǐng)?zhí)枮閏n202011379879.7的專利提出了一種適用于一模態(tài)和二模態(tài)內(nèi)孤立波的實(shí)驗(yàn)水槽，通過百葉門隔開重力塌陷區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)，減少了隔斷解除過程中的擾動(dòng)；申請(qǐng)?zhí)枮閏n202411072111.3的專利利用百葉門式閘門進(jìn)行造波，通過百葉門的不同運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)功能的轉(zhuǎn)變。綜上所述，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室裝置（如重力塌陷擋板或造波機(jī)）可以生成內(nèi)孤立波，但無(wú)法同步形成背景流，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)條件與真實(shí)海洋環(huán)境存在顯著差異。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種可控傾斜回正的內(nèi)孤立波實(shí)驗(yàn)水槽裝置，包括鋼化玻璃水槽、百葉門系統(tǒng)、水槽支架、圓柱銷、液壓系統(tǒng)、連桿系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；通過液壓系統(tǒng)控制水槽傾斜角度與角速度，利用傾斜-回正過程中流體重力勢(shì)能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)背景流的生成；通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片同步開合，實(shí)現(xiàn)內(nèi)孤立波的生成；利用水槽傾斜角度、回正速度及葉片開合時(shí)序的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)內(nèi)孤立波與背景剪切流耦合過程的模擬。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種可控傾斜回正的內(nèi)孤立波實(shí)驗(yàn)水槽裝置，包括鋼化玻璃水槽、百葉門系統(tǒng)、水槽支架、圓柱銷、液壓系統(tǒng)、連桿系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

4、所述鋼化玻璃水槽包括鋼化玻璃、鋁合金型材和消波板；所述鋼化玻璃由鋁合金型材固定；鋼化玻璃水槽底部的鋼化玻璃上設(shè)置四個(gè)入水口，通過管道連接到進(jìn)排水機(jī)構(gòu)，用于實(shí)驗(yàn)流體的注入；所述消波板位于鋼化玻璃水槽內(nèi)部右側(cè)，消波板上均勻分布阻尼孔，對(duì)附近流體產(chǎn)生阻礙作用，用于消除內(nèi)孤立波；所述鋼化玻璃水槽底部四個(gè)角均設(shè)有一個(gè)鉸鏈座結(jié)構(gòu)；

5、所述百葉門系統(tǒng)包括百葉門支架、葉片連接桿、葉片、凸起結(jié)構(gòu)、第一繩索、第二繩索和舵機(jī)；所述百葉門支架安裝在鋁合金型材上，百葉門支架左側(cè)為造波區(qū)；所述葉片兩側(cè)均貼有密封條，葉片有多個(gè)，每個(gè)葉片通過一個(gè)葉片連接桿安裝到百葉門支架上，葉片和葉片連接桿能夠同步旋轉(zhuǎn)；每個(gè)葉片連接桿頂部均安裝兩個(gè)凸起結(jié)構(gòu)，兩個(gè)凸起結(jié)構(gòu)的連線與葉片之間的夾角為45°；所述舵機(jī)安裝在百葉門支架上，舵機(jī)的輸出軸上安裝兩個(gè)凸起結(jié)構(gòu)；所有葉片連接桿和舵機(jī)輸出軸上的凸起結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別用第一繩索和第二繩索連接；

6、所述水槽支架的底部放置于地面；水槽支架左上方設(shè)置兩個(gè)鉸鏈座結(jié)構(gòu)，與鋼化玻璃水槽左下方兩個(gè)角的鉸鏈座結(jié)構(gòu)配合，再與圓柱銷組成鉸鏈連接系統(tǒng)，使鋼化玻璃水槽能夠以圓柱銷為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)；水槽支架底座上固定設(shè)置多個(gè)鉸鏈座結(jié)構(gòu)；

7、所述圓柱銷在實(shí)驗(yàn)水槽裝置中設(shè)置多個(gè)，用于和其它部件組成鉸鏈連接系統(tǒng)；

8、所述液壓系統(tǒng)包括缸體、第一鉸鏈孔、第一進(jìn)油口、第二進(jìn)油口、活塞桿、活塞、第二鉸鏈孔、有桿腔和無(wú)桿腔；所述缸體和第一鉸鏈孔為一體結(jié)構(gòu)，鉸鏈孔和固定在水槽支架底座上的鉸鏈座結(jié)構(gòu)以及圓柱銷組成鉸鏈連接系統(tǒng)，使液壓系統(tǒng)能夠以圓柱銷為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)；所述活塞桿一端與活塞連接，活塞將缸體分為有桿腔和無(wú)桿腔兩部分；有桿腔的缸壁設(shè)置第二進(jìn)油口，無(wú)桿腔的缸壁設(shè)置第一進(jìn)油口；活塞桿另一端設(shè)置第二鉸鏈孔；第一進(jìn)油口和第二進(jìn)油口均連接至油箱；

9、所述連桿系統(tǒng)包括第一連桿、第二連桿、第三鉸鏈孔、第四鉸鏈孔、第五鉸鏈孔、第六鉸鏈孔和第七鉸鏈孔；所述第一連桿一端設(shè)置第三鉸鏈孔，第三鉸鏈孔、圓柱銷和固定在水槽支架底座上的鉸鏈座結(jié)構(gòu)組成鉸鏈連接系統(tǒng)，使第一連桿能夠以圓柱銷為轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)；所述第一連桿中間設(shè)置一個(gè)第四鉸鏈孔，第四鉸鏈孔、圓柱銷和第二鉸鏈孔組成鉸鏈連接系統(tǒng)；所述第一連桿另一端設(shè)置第五鉸鏈孔，第五鉸鏈孔、圓柱銷和第二連桿一端設(shè)置的第六鉸鏈孔組成鉸鏈連接系統(tǒng)；第二連桿另一端設(shè)置第七鉸鏈孔，第七鉸鏈孔、圓柱銷和鋼化玻璃水槽右下角的鉸鏈座結(jié)構(gòu)組成鉸鏈連接系統(tǒng)；

10、所述控制系統(tǒng)用于控制液壓系統(tǒng)和百葉門系統(tǒng)，通過編程設(shè)定鋼化玻璃水槽的傾斜角度、回正速度及葉片開合時(shí)序。

11、優(yōu)選地，所述液壓系統(tǒng)的活塞桿處于中間位置時(shí)，鋼化玻璃水槽處于水平狀態(tài)；液壓系統(tǒng)的活塞桿伸長(zhǎng)時(shí)，連桿系統(tǒng)推動(dòng)鋼化玻璃水槽右側(cè)抬起，呈逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)狀態(tài)；液壓系統(tǒng)的活塞桿縮短時(shí)，連桿系統(tǒng)拉動(dòng)鋼化玻璃水槽右側(cè)落下，呈順時(shí)針偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。

12、優(yōu)選地，所述鋼化玻璃水槽的傾斜角度范圍-15°~15°，回正速度最高30°/s，通過鋼化玻璃水槽傾斜-回正過程引發(fā)密度分層流體重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換，生成參數(shù)可控背景流。

13、優(yōu)選地，所述舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，拉動(dòng)第二繩索運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步拉著所有的葉片連接桿和葉片順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)葉片的開啟；當(dāng)舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，拉動(dòng)第一繩索運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步拉著所有的葉片連接桿和葉片逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)葉片的關(guān)閉。

14、優(yōu)選地，所述葉片開合角度0°~90°可調(diào)，誤差小于等于1°，最快能夠0.2秒內(nèi)完成葉片的關(guān)閉與開啟。

15、優(yōu)選地，所述消波板上的阻尼孔直徑為10mm。

16、優(yōu)選地，所述活塞桿與第二鉸鏈孔為一體結(jié)構(gòu)。

17、本發(fā)明的有益效果如下：

18、1.本發(fā)明通過液壓系統(tǒng)控制水槽傾斜角度與角速度，利用傾斜-回正過程中流體重力勢(shì)能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)背景流的生成；通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片同步開合，實(shí)現(xiàn)內(nèi)孤立波的生成；利用水槽傾斜角度、回正速度及葉片開合時(shí)序的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)內(nèi)孤立波與背景剪切流耦合過程的模擬。

19、2.本發(fā)明通過液壓系統(tǒng)控制水槽傾斜角度為0且不旋轉(zhuǎn)，可兼容傳統(tǒng)無(wú)背景流情況下的內(nèi)孤立波相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

20、3.本發(fā)明通過液壓系統(tǒng)控制水槽傾斜角度不為0但不旋轉(zhuǎn)，可以將水槽底部視為不同角度的緩坡地形，用于研究?jī)?nèi)孤立波的爬坡或下坡過程。