[发明专利]一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置

说明书

本发明公开了一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，包括水槽和工作台；所述水槽底部中心竖直安装有下导流柱，工作台下侧中心竖直安装有上导流柱；所述工作台上安装有支撑座，支撑座上端开设有半球形凹槽，螺杆下端设置有楔形刀口，且楔形刀口放置在半球形凹槽内，楔形刀口下端安装有连接杆，连接杆穿过半球形凹槽底部的通孔连接有支撑杆，支撑杆位于上导流柱内，支撑杆的下端穿过上导流柱并安装有待测圆柱块；所述螺杆下部水平安装有横杆，横杆的两端对称安装有托盘；所述水槽左端还插设有塌陷造波板；还包括激光器和CCD设备。该装置有利于促进内孤立波对小直径直立桩柱影响的研究，具有重要的社会意义和经济价值。

技术领域

本发明涉及海洋工程研究技术领域，具体是一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置。

背景技术

海洋内波是发生在密度稳定层化的海水内部的一种波动，其最大振幅出现在海洋内部，波动频率介于惯性频率和浮性频率之间。由于是产生于海洋内部，内波的恢复力在高频时主要是约化重力（重力和浮力的合力）；当频率低至惯性频率时，恢复力主要是地转柯氏力，这是它不同于表面波的一个重要特征。

海洋中的内孤立波是一种非常特殊的内波，是海洋中的一种中小尺度过程，它能够长距离传播而且保持它的波形基本不变。典型的内孤立波，其波长和周期分布在很宽的范围内，常见波长为数百米至近千米，周期一般为数十分钟，一般以波包的形式传播，大多数情况下，头波的振幅最大，可达几十米甚至上百米。

内孤立波的研究对海洋声学、海洋资源的开发利用、海洋军事和海洋工程等发面都有着非常深远的影响。内波在海洋中起着重要的动力学作用，是能量和动量垂向传输的重要载体，影响着海洋环境和生态保护、全球的气候变化、渔业资源和海洋矿产的开发利用。同样，内孤立波也是一把双刃剑，大振幅内孤立波的存在，引起海洋的等温面和等密度面起伏，会影响海洋中声信号的传播速度和方向，降低了声纳性能，增加了水下通讯和目标探测的困难。大幅度的内孤立波除产生等密度面大幅度垂向起伏外，还产生具有强垂向剪切的往复水平流，会对海上作业平台产生破坏作用。特别是大幅度内孤立波在近海面会产生强剪应力，常使得作业产生操作困难。

内孤立波的波致流（在传播过程中产生的扰动可导致海面水强烈辐聚和突性发性的辐强流）和其极强的速度切变，波高可达到几百米，波长数百米，甚至万米以上。跃层间形成两支相反方向的内波流，移动速度超过 后，便会形成犹如剪刀般的垂直作用力，对于石油钻井平台等水下工程设施有极大的破坏作用。加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台，就曾遭内波袭击而不得不中断作业，为此，美国英特俄辛公司为其专门安装了内波预警系统，以保障其安全作业。

我国南海北部是一个石油资源十分丰富且海洋环境相当复杂的海区，此海域的内孤立波发生最为频繁，最大移动速度2m/s，对这里的海洋石油资源开发所用平台的安全可能会产生破坏性的影响。除此之外，海底地震、沙波和水下沙脊更是随时可能发生或形成，给超深海油气田的勘探、开采和输送带来巨大的成本损耗和不可控风险。1990年夏、秋季，位于我国南海的“南海Ⅵ号”石油钻机，也曾遭受周期性的强内波波致流的袭击，致使石油钻井倾斜2.5°，摆幅40m。钻管被拉下3.9m，使钻井作业受到严重影响。

鉴于南中国海北部的石油资源非常丰富，石油平台非常多，研究内孤立波对石油平台桩柱的影响有着重要的社会意义和经济价值。然而，目前基于内孤立波对直立桩柱的研究主要还是集中在实际观测和数值模拟上，并且结果差别很大，无法得到很好的验证。缺乏用于研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究内孤立波对小直径直立桩柱影响的实验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：