[发明专利]减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测装置及方法

说明书

本发明公开了一种减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测装置及方法。本发明装置包括旋转水槽部分、循环水体管路部分和辅助监测装置部分。所述的旋转水槽部分包括亚克力透明水槽、剪力环、剪力环转速控制摇臂、可旋转底座、摇臂控制变频器、可旋转底座控制变频器、中心可升降金属杆、底座支撑架、桨叶等部分。本发明装置结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低；能实现实验室尺度下浊流高速、强湍流流态的物理建模，同时控制流态的精准转换。高速转动的环形水槽可悬浮大粒径泥沙颗粒，并可研究粘性颗粒且不破坏其絮凝能力；反向旋转环形水槽底部可最大限度减少由离心效应引起的二次流结构，并可将槽底剪切应力的变化降至最低。

技术领域

本发明涉及泥沙动力学物理模型领域，具体涉及减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测装置及方法。

背景技术

浊流（挟沙水流）广泛发育于河口、深海等环境中，其是远距离搬运大体积碎屑沉积物、输移营养物质和污染物的重要物理过程，极易形成油气资源储集层，同时也会极大地影响深海海盆的生态环境；另外，作为一种海洋地质灾害，浊流会对油气开采平台、海底通信电缆等造成直接威胁。明晰其水动力过程的关键是量化近床沉积边界层的冲淤过程，特别是其垂向沉积层理与模式。

野外观测充满偶然性且耗费人力物力，实验室尺度的物理模型研究将成为主要的替代方法。为探明浊流沉积边界层区域的泥沙颗粒支撑机制与分离过程，相关研究工作者多采用直道水槽模拟浊流，虽可考虑多种入流方式（如开闸式和连续入流式）来对浊流进行整体物理建模，以评估垂向速度湍流剖面改变的影响，但其难以形成更符合实际的高速、持续、准湍流的浊流流态。换言之，直槽中传播的浊流在扩散前期就沉积大量泥沙，这与野外监测到的大尺度浊流长距离输移现象相悖；现有的物模实验很难实现浊流从准稳流态向减速流态的精准转变，因此所得结果多不具备代表性；此外，浊流在直槽下流动多通过管泵系统实现，也就是说流场系统强依赖于循环硬件的物理参数，很难模拟真正的浊流流体特性。

基于此背景，为实现实验室尺度下浊流高速、强湍流流态的物理建模，同时控制流态的精准转换，本专利提出了关于减速浊流中悬移质泥沙沉积结构的观测装置及方法，以旋转循环水槽模拟更符合真实自然环境下的浊流传播，探明沉积边界层的形成机理，以期更好的理解浊流的水动力过程；同时为相应的浊流数值模型开发提供数据支持。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测装置及方法。

本发明的一方面提供了一种减速浊流中悬移泥沙沉积结构的观测装置。包括旋转水槽部分、循环水体管路部分和辅助监测装置部分。

所述的旋转水槽部分包括亚克力透明水槽、剪力环、剪力环转速控制摇臂、可旋转底座、摇臂控制变频器、可旋转底座控制变频器、中心可升降金属杆、底座支撑架、桨叶等部分。

所述的透明水槽安放于底座支撑架上，所述的中心可升降金属杆连接剪力环转速控制摇臂以控制剪力环升降，所述的剪力环转速控制摇臂连接装有桨叶的剪力环以旋转剪力环，所述剪力环位于所述透明水槽内，所述的摇臂控制变频器与可旋转底座控制变频器分别控制剪力环和可旋转底座以反方向旋转。

所述的循环水体管路部分包括入流管道、调节阀门、供水箱、虹吸管、储水槽、水槽底排水孔。

所述的调节阀门安装于入流管道上；所述的入流管道连接供水箱与亚克力透明水槽；所述的水槽底排水孔位于水槽底部与入流管道连接；所述的虹吸管用于将水槽内水体排至储水槽。

所述的辅助监测装置部分包括CCD相机、激光发射器、地形扫描仪电脑控制端、采样烧杯，粒度分析仪。

所述的CCD相机置于透明水槽内外两侧，录下整个泥沙动态沉降过程；所述的激光发射器位于水槽顶部，发射激光以获取沉积形态，通过所述地形扫描仪电脑控制端可视化沉积结构的表面形态；所述的采样烧杯置于水槽底部以获取沉积边界层层理结构。所述的粒度分析仪通过采样烧杯内泥沙样品获取泥沙粒度级配，进行样品后处理。