用于海氣界面微尺度過程觀測的水槽設(shè)計與實驗

官 晟, 王巖峰, 黃振興, 高軍偉

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 青島大學(xué) 自動化工程學(xué)院, 山東 青島 266071)

海氣相互作用的范圍跨度大、作用時間長, 對天氣和氣候影響深遠, 是全球變化中的重要因素。海氣相互作用已成為大氣科學(xué)和海洋科學(xué)中重要的研究課題。

海氣相互作用研究的前提是大量的觀測數(shù)據(jù)。針對海氣作用不同尺度過程, 可以利用船舶、浮標(biāo)、飛機、雷達、衛(wèi)星等工具, 在水下、邊界層和空中同時進行立體觀測。然后, 采用不同的數(shù)值模式, 利用大型計算機進行各種尺度海-氣相互作用的數(shù)值模擬。但海氣相互作用中一個非常重要的方面——微尺度過程(毫米級到米級尺度)卻一直面臨觀測難的局面。許多微尺度過程具有典型的間歇性湍流運動特征, 其測量的難點在于如何快速、準(zhǔn)確地獲取各要素的快速變化, 研發(fā)合適的傳感器和觀測平臺一直是科研人員努力的方向。

為解決微尺度過程現(xiàn)場觀測中存在的問題, 室內(nèi)模擬仿真實驗研究一直是很重要的方法, 即利用多功能水槽對海氣界面的微尺度過程進行模擬, 在此基礎(chǔ)上開展系列觀測研究[1]。模擬過程包括: 微尺度波浪的形成及破碎過程; 界面的能量傳輸; 表層的物質(zhì)輸運過程; 界面和水體內(nèi)部的湍流混合過程等。微尺度過程模擬水槽可以為海氣相互作用研究提供一個高效、便捷的室內(nèi)實驗平臺, 從而獲得大量、穩(wěn)定的研究數(shù)據(jù)。而我國對于海氣界面微尺度過程的觀測目前還處于國際20世紀(jì)90年代的水平,特別是偏重于機理研究的室內(nèi)實驗設(shè)施更為稀少。因此, 本文在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上, 參照國際前沿觀測技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展水平, 設(shè)計、建設(shè)了一座應(yīng)用于海氣相互作用研究的小型多功能水槽, 并開展了初步的試驗研究。

1 水槽功能設(shè)計

小型多功能水槽在功能設(shè)計上應(yīng)能滿足包括微尺度坡度場、界面微尺度的湍流混合、界面的輻射及傳輸?shù)任⒊叨冗^程特性及參數(shù)的觀測需要, 鑒于微尺度過程易受擾動的特點, 測量手段盡量選擇非接觸方式, 因此聲光測量是主要的方式。

1.1 海面微尺度坡度場觀測

對海面坡度場的時序觀測可以較好地獲取海表面毛細(xì)波和毛細(xì)重力波的運動特征。而海表面毛細(xì)波和毛細(xì)重力波的運動特征受到各種環(huán)境因素的調(diào)制, 對于理解海氣界面動量熱量和物質(zhì)交換過程、電磁波與波浪間相互作用機制、波浪能量耗散等至關(guān)重要。非接觸的光學(xué)方法是目前測量海面微尺度坡度場的最佳選擇。本水槽采用了顏色編碼技術(shù)[2]。

1.2 界面微尺度湍流混合動力過程光學(xué)測量裝置性能設(shè)計

波浪破碎是近海面湍流混合增強效應(yīng)的主要驅(qū)動機制, 同時海水內(nèi)部的湍流混合能使流體的動量和熱量, 以及所含的鹽分等物質(zhì)的擴散過程顯著增強。在海洋中, 無論湍流的尺度或強度, 其垂直分量和水平分量通常都極不相同, 對其四維(三維空間加一維時間)的測量是理想的觀測方式。三維數(shù)字粒子圖像測速(DPIV)是室內(nèi)水槽湍流混合觀測的主要技術(shù)手段[3-4], 同時考慮采用聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)作為慣性副區(qū)單點測量的補充[5]。

1.3 界面熱輻射測量裝置性能設(shè)計

由于大氣對太陽的短波輻射是近乎透明的, 所以到達地球表面的太陽輻射能大部分被海洋所吸收。這些能量再通過紅外輻射、感熱通量和潛熱通量的方式向大氣輸送。海氣間的熱交換不僅對天氣過程的形成有重要影響, 而且對長期氣候過程有巨大作用。由于海面波動以及海水皮溫與體溫的差異,使得對界面水溫接觸式、單點測量會產(chǎn)生較大偏差,因此, 海氣熱交換在近20年里越來越多采用紅外攝像直接測量海面輻射量的方法[6-7]。

1.4 水槽造風(fēng)、造波性能設(shè)計

為有效模擬上述微尺度過程, 多功能水槽需要具備造風(fēng)、造波功能。根據(jù)建設(shè)場地及水槽總體尺寸的要求, 結(jié)合測量系統(tǒng)的觀測范圍, 要求造風(fēng)、造波能力為最大波高 20 cm以上; 最大風(fēng)速不低于15.0 m/s, 風(fēng)速均勻, 在觀測段內(nèi)變化不超過±0.3 m/s。

2 水槽功能實現(xiàn)方案

2.1 水槽功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

小型多功能水槽由鋼化玻璃水槽、造波系統(tǒng)、造風(fēng)系統(tǒng)、控制柜、儀器掛架、用于掛架移動的平行導(dǎo)軌、波高傳感器、風(fēng)速和溫度傳感器以及控制測試軟件等部分構(gòu)成。圖 1為水槽結(jié)構(gòu)示意圖。造波功能由伺服電機提供動力, 通過線性模組帶動造波板, 在水槽內(nèi)激起不同波長和波高的規(guī)則波或不規(guī)則波。通過導(dǎo)流板和消波材料, 在水槽末端實現(xiàn)消波功能。造風(fēng)系統(tǒng)由軸流風(fēng)機提供動力, 空氣通過進風(fēng)口、導(dǎo)風(fēng)板、風(fēng)道等部分, 在水槽實驗段形成均勻風(fēng)場, 從而在水面激起微幅波。水槽底部設(shè)置有光學(xué)實驗預(yù)留的通光孔。水槽實驗段集成微結(jié)構(gòu)光學(xué)測量裝置、測量湍流運動過程的粒子成像速度儀(PIV)、測量混合擴散過程的激光誘導(dǎo)熒光成像裝置(LIF)、高精度紅外熱象儀以及聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)等系統(tǒng)。

圖1 小型多功能水槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of small multi-functional flume

2.2 海面微尺度坡度場光學(xué)測量裝置系統(tǒng)方案

利用光學(xué)方法對海面坡度場信息的提取是從 20世紀(jì)40年代開始的, 至今已有數(shù)種較為可行的測量技術(shù), 包括太陽光耀斑攝像技術(shù)、光強編碼技術(shù)、激光探測裝置和掃描式激光坡度儀、立體觀測和顏色編碼技術(shù)等[8]。光學(xué)方法的主要原理是利用光線在海氣界面的折射和反射現(xiàn)象, 觀測入射角和反射角的信息, 推算坡度場的斜率分布。國際上以美國Scripps海洋研究所、Woods Hole海洋研究所、德國Heidelberg大學(xué)等研制的測量裝置為代表。國內(nèi)研究者在國家 863計劃的支持下, 完成了利用顏色編碼技術(shù)進行海面微尺度坡度場觀測的實驗室和船用的海面微結(jié)構(gòu)光學(xué)測量裝置, 觀測技術(shù)指標(biāo)達到國際同期水平。

沿用國內(nèi)已研究過的, 并符合國際發(fā)展趨勢的顏色編碼技術(shù), 是制定小型多功能水槽中微結(jié)構(gòu)測量裝置技術(shù)方案的較好選擇。系統(tǒng)基本工作原理如圖 2所示。設(shè)置于水槽下適當(dāng)高度的光源均勻照明其上方的彩色編碼器。彩色編碼器位于水下透鏡的焦面上, 因此二維編碼的彩色光線經(jīng)透鏡后, 均以平行光射入水槽中。這些彩色平行光經(jīng)過水槽內(nèi)水面波浪折射后, 被設(shè)置在水槽正上方空中的攝像系統(tǒng)捕獲。由于只有垂直向上的光線能進入攝像系統(tǒng),因此獲取圖像中每一個像素單元的彩色灰度或色調(diào)與水面該像素區(qū)域波浪的斜率是一一對應(yīng)的。經(jīng)過計算機圖像處理, 即可獲得攝像區(qū)域水面微結(jié)構(gòu)的全貌。而分析(連續(xù))時序記錄的多幅圖像, 即可獲得水面微結(jié)構(gòu)隨時間的變化情況。攝像系統(tǒng)選用索尼公司 3CCD 相機 DXC-990P, 變焦鏡頭選用S206.4BMD 型, 短弧氙燈功率 150 W, 菲涅爾透鏡型號為NT46-392。

圖2 微結(jié)構(gòu)光學(xué)測量裝置系統(tǒng)Fig. 2 Sketch of the micro-structure measurement system on seawater surface

2.3 界面微尺度湍流混合動力過程光學(xué)測量裝置系統(tǒng)方案

PIV技術(shù)能以光學(xué)無接觸式的方式, 在同一瞬態(tài)記錄下大量流體空間點上的速度分布信息, 可提供豐富的流場空間結(jié)構(gòu)以及流動特性。因此, 利用2D/3DPIV技術(shù)可以實現(xiàn)微尺度過程的二維和三維運動場測量以及二維示蹤物的擴散和混合過程測量。

PIV系統(tǒng)采用丹迪公司(Dantec)產(chǎn)品。系統(tǒng)由Dynamic Studio軟件、4M相機、新型高速相機以及內(nèi)置式的時序控制板組成, 可以完成從極低速度的幾個毫米每秒到超音速測量。激光器采用NewWave公司雙腔 PIV 激光器, 該激光器擁有更短的脈沖間隔時間, 使得 PIV 測量由低速擴展到高速。同步單元采用內(nèi)置式時序控制板, 其漂移對速度的影響可以控制在 1×10–7m/s(100 m/s時)以下。片光源采用80×70系列產(chǎn)品, 可以改善傳統(tǒng)片光源在高能量(120 mJ以上)光束下的片光質(zhì)量。坐標(biāo)架位移系統(tǒng)選擇適合小流場的精確測量型號, 移動精度為每300 mm存在±5 μm的誤差, 具有6.25 μm的移動分辨率。上述設(shè)備的組合可實現(xiàn)速度測量范圍0～6 m/s; 視頻采集速度30 幀/ s。另外還配有LIF模塊, 可同時提供熒光溫度場的測量。

ADV系統(tǒng)選用 NORTEK公司的兩款新型流速儀Vector和Vectrino。2套流速儀安裝于平行軌道上,在水槽二維平面內(nèi)滑動, 采用非接觸方式測量不同點位流速。Vector采樣頻率1～64 Hz, 最大流速范圍±7 m/s, 采樣體直徑 15 mm。Vectrino采樣頻率1～200 Hz, 最大流速范圍±4 m/s, 采樣體直徑6 mm。

2.4 界面熱輻射測量裝置系統(tǒng)方案

為滿足海氣界面過程熱輻射變化小的特點, 紅外熱像系統(tǒng)熱靈敏度需盡可能高。綜合考慮功能與成本, 界面紅外熱像系統(tǒng)選用 NEC公司產(chǎn)品TH5104R。測量范圍–10～800℃。溫度分辨率0.1℃(30℃時), 優(yōu)于市場上絕大多數(shù)產(chǎn)品的1℃。像素數(shù)255(H)×223(V), 適合捕捉微尺度空間的變化。

2.5 水槽造風(fēng)、造波系統(tǒng)方案

水槽必須具備造風(fēng)、造波、消波等功能, 能夠一定程度上模擬海面的運動變化, 形成觀測海氣界面微尺度過程的模擬對象系統(tǒng)。目前, 主流的造波方式有機械式和氣動式兩種。氣動式是利用空氣氣流或者氣壓的變化產(chǎn)生波動。機械式是通過造波部件的機械加擾動來產(chǎn)生波動, 也是應(yīng)用較多的方式。機械式中, 又以搖板式和推板式應(yīng)用較為廣泛。所謂搖板式就是通過機械驅(qū)動, 令搖板繞固定軸擺動, 使池中水產(chǎn)生波動; 而推板式是造波板整體在水中做直線往復(fù)運動。由于水槽主要用于模擬海洋表面的小尺度波動情況, 結(jié)合室內(nèi)的可利用空間條件, 并考慮到盡量減少水下機械結(jié)構(gòu)、降低能耗、減小機械系統(tǒng)作用力等因素, 搖板式方案成為較好的選擇。圖3為搖板造波機示意圖。

設(shè)計造波波長范圍 0.05～1.5 m, 最大波高不小于0.2 m; 波譜類型包括Pierson-Moskowitz譜、ISSC譜和Neuman譜, 自定義波譜。造波重復(fù)性誤差小于2%。

在水槽頂部加蓋密封蓋板, 構(gòu)成風(fēng)罩, 與玻璃水槽形成風(fēng)道, 在水槽尾部上安裝軸流風(fēng)機, 以抽風(fēng)的方式在水槽內(nèi)造風(fēng)。為使進風(fēng)流暢、風(fēng)速均勻,在水槽前端靠近搖板處安裝進風(fēng)口, 在進風(fēng)口的下端安裝可調(diào)仰角導(dǎo)風(fēng)板。造風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。造風(fēng)最大風(fēng)速不低于15.0 m/s, 風(fēng)速均勻, 在觀測段 內(nèi)變化不超過±0.3 m/s。

圖3 搖板造波機示意圖Fig. 3 Sketch of the shake-flap wave making system

圖4 造風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig. 4 Sketch of the wind making system

造風(fēng)造波功能控制軟件以Labview為開發(fā)平臺,完成信息采集、模式計算、控制實現(xiàn)等功能。造風(fēng)控制模塊主要功能是通過控制風(fēng)機變頻器實現(xiàn)風(fēng)道風(fēng)速的閉環(huán)控制。造波控制模塊的主要功能是通過對運動控制卡的編程, 控制搖板伺服系統(tǒng), 進而實現(xiàn)波高和波長的閉環(huán)控制。

3 實驗及結(jié)論

3.1 造風(fēng)、造波系統(tǒng)

圖5 風(fēng)速7 m/s造風(fēng)實驗槽內(nèi)風(fēng)速響應(yīng)曲線Fig. 5 The test results of 7 m/s wind making

造風(fēng)系統(tǒng)實驗結(jié)果見圖5。

實驗中, 目標(biāo)風(fēng)速設(shè)置為7 m/s。風(fēng)速上升時間tr為5.5 s; 調(diào)節(jié)時間ts為15.4 s; 實驗段內(nèi)風(fēng)速降小于0.3 m/s。實驗證明, 造風(fēng)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快速, 風(fēng)速精度達到設(shè)計要求, 觀測段內(nèi)風(fēng)速變化小于0.3 m/s, 具有較好的穩(wěn)定性。

造波系統(tǒng)進行了多組不同規(guī)則譜和不規(guī)則譜實驗。實驗結(jié)果如圖6所示, 其中h為水深,T為周期,H為振幅。規(guī)則波波高誤差≤4 %, 周期誤差≤4 %, 達到設(shè)計指標(biāo)。

圖6 規(guī)則波測試Fig. 6 The test results of regular wave making

3.2 海面微尺度坡度場光學(xué)測量裝置系統(tǒng)

微結(jié)構(gòu)光學(xué)測量裝置在靜水和有風(fēng)條件下獲取的水面圖像如圖7、圖8所示。

圖7 微結(jié)構(gòu)光學(xué)測量裝置靜水面成像效果圖Fig. 7 The image of still water by the micro-structure measurement system

圖8 風(fēng)速8 m/s水面成像效果圖Fig.8 The image of water with 8 m/s wind

實驗結(jié)果證明, 光學(xué)測量系統(tǒng)觀測幅寬200 mm, 斜率精度1°, 波長分辨率0.3 mm, 測量時間間隔＜0.04 s。

3.3 PIV與ADV系統(tǒng)

PIV系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)如圖9所示, 流場測量數(shù)據(jù)如圖10所示。

使用 Vectrino測量水槽模擬不同狀態(tài)下的原始數(shù)據(jù)如圖11所示。

實驗數(shù)據(jù)可以看出, 隨著風(fēng)速的增大, 三個方向上速度方差之和呈上升趨勢, 符合試驗風(fēng)速范圍內(nèi)湍流強度的變化規(guī)律。

3.4 界面熱輻射測量裝置系統(tǒng)

分別在無風(fēng)和不同風(fēng)速條件下, 用紅外相機拍攝水面紅外圖像。然后, 通過軟件導(dǎo)出溫度的矩陣分布, 得出溫度變化趨勢、偏度值和峰度值等數(shù)據(jù)。

圖9 PIV系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)圖Fig. 9 The image of PIV system

圖10 PIV系統(tǒng)流速矢量測量圖Fig. 10 The velocity vector image by PIV system

圖11 ADV系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)波型圖Fig.11 The velocity data by ADV system

圖12 靜水及2.5 m/s風(fēng)速下水面熱輻射成像圖Fig. 12 Infrared thermal images of water surface with no wind or 2.5 m/s wind

3.5 結(jié)論

上述實驗證明, 所設(shè)計的小型多功能水槽造波機主要分系統(tǒng)都達到了設(shè)計指標(biāo)和目的。系統(tǒng)整體運行流暢, 能夠較好地模擬實際海洋環(huán)境中海氣界面微尺度過程, 可成為海氣相互作用研究的試驗平臺。

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