本技術(shù)涉及近岸環(huán)境流體力學(xué)及相關(guān)水動(dòng)過(guò)程領(lǐng)域，具體涉及一種近岸平臺(tái)樁柱群中多相流擴(kuò)散預(yù)測(cè)的測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

1、多相流是指多種流體間因組分差異引起水平或垂直壓力梯度而驅(qū)動(dòng)的物理過(guò)程，其可以長(zhǎng)距離運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和污染物而極大地影響水生環(huán)境。廣泛發(fā)育多相流的海洋、河口以及湖泊等環(huán)境，其典型特征之一是可溶解成分或溫度沿深度分布不均勻，從而形成垂直濃度梯度以明顯改變多相流的動(dòng)力特性。此外，近岸平臺(tái)樁柱群在水生環(huán)境中普遍存在，如海底電纜、管道、鉆油樁等，可以顯著調(diào)整多相流的傳播過(guò)程和湍流結(jié)構(gòu)。因此，環(huán)境流體的垂向濃度梯度和近岸平臺(tái)樁柱群是真實(shí)條件下多相流演化所遇到的重要環(huán)境因子。從自然環(huán)境保護(hù)以及工業(yè)工程安全的角度來(lái)看，目前尚需要準(zhǔn)確有效的物理裝置和理論模型來(lái)預(yù)測(cè)多相流在近岸平臺(tái)樁柱群中的演化過(guò)程，以此為環(huán)保部門(mén)、工程勘察設(shè)計(jì)人員等提供科學(xué)支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有近岸環(huán)境流體力學(xué)及相關(guān)水動(dòng)過(guò)程領(lǐng)域的技術(shù)空缺，提出了近岸平臺(tái)樁柱群中多相流擴(kuò)散預(yù)測(cè)的裝置。具體地說(shuō)，采用多相流自配系統(tǒng)精確地生成主相流和存在垂向濃度梯度的次相流；圖像采集屏實(shí)時(shí)捕捉主相流的鋒面位置和界面傾角；通過(guò)裝置獲取的數(shù)據(jù)集建立近岸平臺(tái)樁柱群中多相流擴(kuò)散預(yù)測(cè)的理論模型。

2、本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

3、近岸平臺(tái)樁柱群中多相流擴(kuò)散預(yù)測(cè)的裝置，包括四個(gè)子系統(tǒng)：多相流自配系統(tǒng)、主槽體系統(tǒng)、樁柱群系統(tǒng)、輔助測(cè)量系統(tǒng)。

4、所述多相流自配系統(tǒng)為所述主槽體系統(tǒng)提供主相流和存在垂向濃度梯度的次相流；所述主槽體系統(tǒng)和所述樁柱群系統(tǒng)用以模擬近岸平臺(tái)樁柱群中多相流的擴(kuò)散和傳播；所述輔助測(cè)量系統(tǒng)主要獲取次相流在不同水深處濃度值，同時(shí)實(shí)時(shí)捕捉主相流的鋒面位置和界面傾角等基礎(chǔ)有效數(shù)據(jù)。

5、所述多相流自配系統(tǒng)包括第一導(dǎo)管、第一閥門(mén)、第一靈敏流量計(jì)、第一水泵、主相流生成槽、第二導(dǎo)管、第二閥門(mén)、第二靈敏流量計(jì)、第二水泵、壓力中轉(zhuǎn)槽、第三導(dǎo)管、第三靈敏流量計(jì)、第三水泵、間隙流蓄水池、壓力管、次相流生成槽、第四導(dǎo)管、第三閥門(mén)、第四靈敏流量計(jì)、第四水泵；第一閥門(mén)、第一靈敏流量計(jì)及第一水泵安裝于第一導(dǎo)管上；第一閥門(mén)控制第一導(dǎo)管的啟閉；第一靈敏流量計(jì)控制通過(guò)第一導(dǎo)管的主相流流量；主相流生成槽用以配置和存放主相流；第一導(dǎo)管連接主相流生成槽和所述主槽體系統(tǒng)；第一水泵將主相流生成槽中的主相流泵入所述主槽體系統(tǒng)的右側(cè)；第二閥門(mén)、第二靈敏流量計(jì)及第二水泵安裝于第二導(dǎo)管上；第二閥門(mén)控制第二導(dǎo)管的啟閉；第二靈敏流量計(jì)控制通過(guò)第二導(dǎo)管的主相流流量；壓力中轉(zhuǎn)槽通過(guò)恒壓混合主相流以及間隙流；第二導(dǎo)管連接主相流生成槽和壓力中轉(zhuǎn)槽；第二水泵將主相流生成槽中的主相流泵入壓力中轉(zhuǎn)槽的底部；第三水泵、第三靈敏流量計(jì)安裝于第三導(dǎo)管上；第三導(dǎo)管保持開(kāi)啟；第三靈敏流量計(jì)設(shè)置有兩個(gè)，分別控制通過(guò)第三導(dǎo)管左、右分支的間隙流流量；第三導(dǎo)管右分支連接間隙流蓄水池和主相流生成槽；第三導(dǎo)管左分支連接間隙流蓄水池和壓力中轉(zhuǎn)槽；第三導(dǎo)管右分支將間隙流蓄水池內(nèi)的間隙流泵入主相流生成槽的底部；第三導(dǎo)管左分支將間隙流蓄水池內(nèi)的間隙流泵入壓力中轉(zhuǎn)槽的底部；間隙流蓄水池用以配置和存放間隙流；壓力管連接次相流生成槽和壓力中轉(zhuǎn)槽；壓力中轉(zhuǎn)槽通過(guò)恒壓以及位置勢(shì)能將混合后的主相流以及間隙流(即次相流)壓至次相流生成槽；第三閥門(mén)、第四靈敏流量計(jì)及第四水泵安裝于第四導(dǎo)管上；第三閥門(mén)控制第四導(dǎo)管的啟閉；第四靈敏流量計(jì)控制通過(guò)第四導(dǎo)管的次相流流量；次相流生成槽用以承接和存放次相流；第四導(dǎo)管連接次相流生成槽和所述主槽體系統(tǒng)；第四水泵將次相流生成槽中的次相流泵入所述主槽體系統(tǒng)的底部。

6、進(jìn)一步地，所述主槽體系統(tǒng)包括樹(shù)脂透明水槽和弧形出流器；下層主相流通過(guò)所述第一導(dǎo)管從樹(shù)脂透明水槽右側(cè)流入；上層次相流通過(guò)所述第四導(dǎo)管從樹(shù)脂透明水槽的底部流入；所述第四導(dǎo)管連接弧形出流器；弧形出流器固定在樹(shù)脂透明水槽的底部；弧形出流器通過(guò)局部對(duì)流抵消原理來(lái)保證上層次相流在垂向濃度梯度上的精確性。

7、進(jìn)一步地，所述輔助測(cè)量系統(tǒng)包括圖像采集屏、多孔抽樣板、可移動(dòng)抽樣針、濃度測(cè)量?jī)x；圖像采集屏嵌入所述樹(shù)脂透明水槽的側(cè)壁；圖像采集屏實(shí)時(shí)捕捉下層主相流的鋒面位置和界面傾角；多孔抽樣板垂直固定于所述樹(shù)脂透明水槽的左側(cè)；多孔抽樣板可將不同水深位置處的次相流存儲(chǔ)到多孔中作為待測(cè)樣本；可移動(dòng)抽樣針可抽取多孔抽樣板中的待測(cè)次相流樣本，并將抽取的次相流樣本提供給濃度測(cè)量?jī)x；濃度測(cè)量?jī)x用以測(cè)量次相流樣本的濃度值。

8、進(jìn)一步地，所述樁柱群系統(tǒng)為交錯(cuò)排列的剛性圓柱體群；剛性圓柱體群固接于所述樹(shù)脂透明水槽的底部；剛性圓柱體群高度高于上層次相流的自由液面。

9、進(jìn)一步地，所述次相流生成槽內(nèi)的次相流與主相流生成槽內(nèi)的主相流的濃度比不低于98％，兩者之間滿(mǎn)足布辛涅斯克假定。

10、本實(shí)用新型近岸平臺(tái)樁柱群中多相流擴(kuò)散預(yù)測(cè)裝置的具體使用步驟如下：

11、s1、進(jìn)行多相流物理模型實(shí)驗(yàn)：

12、配置主相流時(shí)，主相流生成槽內(nèi)預(yù)置羅丹明b以及可溶性電解質(zhì)；關(guān)閉第一閥門(mén)、第二閥門(mén)、第三閥門(mén)、第一水泵、第二水泵、第四水泵，開(kāi)啟第三水泵；保證兩個(gè)第三靈敏流量計(jì)的示數(shù)比為10:1。配置次相流時(shí)，次相流生成槽和壓力中轉(zhuǎn)槽完全排空，主相流生成槽內(nèi)充滿(mǎn)主相流；關(guān)閉第一閥門(mén)、第三閥門(mén)、第一水泵、第四水泵，開(kāi)啟第二閥門(mén)、第二水泵、第三水泵；保證第二靈敏流量計(jì)、兩個(gè)第三靈敏流量計(jì)的示數(shù)比為2:1:1。輸出次相流時(shí)，關(guān)閉第一閥門(mén)、第一水泵，開(kāi)啟第二閥門(mén)、第三閥門(mén)、第二水泵、第三水泵、第四水泵；保證第二靈敏流量計(jì)、兩個(gè)第三靈敏流量計(jì)、與第四靈敏流量計(jì)的示數(shù)比為1:2:2:4。次相流輸出完畢時(shí)，可移動(dòng)抽樣針將抽取的上層次相流樣本提供給濃度測(cè)量?jī)x測(cè)定，核對(duì)上層次相流的垂向濃度梯度。輸出主相流時(shí)，關(guān)閉第二閥門(mén)、第三閥門(mén)、第二水泵、第三水泵、第四水泵，開(kāi)啟第一閥門(mén)、第一水泵；第一靈敏流量計(jì)根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)；圖像采集屏實(shí)時(shí)捕捉下層主相流在樁柱群系統(tǒng)中的鋒面位置和界面傾角。

13、s2、建立近岸平臺(tái)樁柱群中多相流擴(kuò)散的參數(shù)模型：

14、流動(dòng)域用二維笛卡爾坐標(biāo)系描述，規(guī)定樹(shù)脂透明水槽的右下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，即x＝0且y＝0。通過(guò)樁柱群密度δ、單位體積樁柱群的正迎流面積χ、樁柱群孔隙率ε和樁柱群摩阻系數(shù)md來(lái)量化樁柱群的典型特征。樁柱群密度δ為樁柱與所占樹(shù)脂透明水槽底面積的比值，δ＝3.14md2/4ac，其中m為樁柱群中樁柱的總數(shù)量，d為獨(dú)立圓樁柱的直徑，ac為樁柱群覆蓋的樹(shù)脂透明水槽底面積。χ和ε的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為χ＝md/ac＝δ/(3.14d/4)和ε＝-δ+1。md是描述近岸樁柱群特性的關(guān)鍵參數(shù)，其不滿(mǎn)足任意條件的統(tǒng)一表達(dá)式，需根據(jù)多相流在自然界的普遍流態(tài)進(jìn)行選擇。速度分量u和v分別對(duì)應(yīng)于x軸y軸。ζ(x,y,t)是從樹(shù)脂透明水槽底面到主、次相流交界面的垂直距離。uc和ua分別表示下層主相流和上層次相流的鋒面速度。t為下層主相流的傳播時(shí)間。

15、s3、描述基于多次拖曳力項(xiàng)的n-s方程：

16、忽略主次相流中粘滯力的影響，采用多次型項(xiàng)表達(dá)式來(lái)考慮近岸樁柱群被對(duì)多相流的拖曳力，并給出主流方向上的n-s方程為：

17、

18、其中g(shù)是靜水壓力，c是流體相濃度。

19、s4、確定普適于自然界中多相流的樁柱群摩阻系數(shù)：

20、結(jié)合自然界中多相流的雷諾數(shù)范圍多處于1≤re≤1400。因此，普適于自然界中多相流的樁柱群摩阻系數(shù)md如下，

21、md＝3/25?re-1/4.????(2)

22、s5、引入描述上層次相流的垂直濃度梯度參數(shù)：

23、垂直濃度梯度因子jρ可反映垂直濃度梯度引起的壓差驅(qū)動(dòng)力變化，其表達(dá)式為:

24、jρ＝cb/he-cs/he,????(3)

25、he表示的樹(shù)脂透明水槽的總深度，cb和cs分別表示上層次相流在樹(shù)脂透明水槽底部和自由液面處的濃度值。同時(shí)，在上層次相流深度y處濃度值ca(y)可表示為：

26、ca(y)＝cs-jρ(he-y).????(4)

27、s6、建立樁柱群摩阻控制下的n-s方程：

28、由于此流動(dòng)系統(tǒng)中沒(méi)有源和匯，因此物質(zhì)導(dǎo)數(shù)中的時(shí)變項(xiàng)等于0。將慣性項(xiàng)描述為樁柱群摩阻力的十分之一。因此，樁柱群摩阻控制下的n-s方程描述如下:

29、

30、表示垂向流相靜壓層：下層主相流[y≤ζ(x,y,t)]的靜水壓力和上層次相流[ζ(x,y,t)≤y≤he]的靜水壓力分別表示為：

31、g0(x,y,t)-ccgy＝g1(x,y,t),????(6)

32、

33、g0為單相流時(shí)樹(shù)脂透明水槽底部靜水壓力，cc為下層主相流的擴(kuò)散濃度，g為重力加速度。

34、s7、解析下層主相流層平均速度：

35、根據(jù)質(zhì)量守恒，各垂直截面的凈通量為零，則可得：

36、-εua(he-ζ)/εucζ＝1,????(8)

37、聯(lián)立方程(5)-(8)，下層主相流層平均速度如下：

38、

39、其中g(shù)'為多相流的折減重力，式中為主次相交界面的斜率。

40、s8、進(jìn)行理論可靠性驗(yàn)證：

41、根據(jù)步驟s1的多相流物理模型實(shí)驗(yàn)，將圖像采集屏實(shí)時(shí)捕捉下層主相流在樁柱群系統(tǒng)中的主次相交界面傾角代入公式(10)。將圖像采集屏實(shí)時(shí)捕捉的下層主相流的鋒面位置和理論結(jié)果公式(10)對(duì)比。

42、本實(shí)用新型的有益效果：

43、采用多相流自配系統(tǒng)精確地生成主相流和存在垂向濃度梯度的次相流；圖像采集屏實(shí)時(shí)捕捉主相流的鋒面位置和界面傾角；通過(guò)裝置獲取的數(shù)據(jù)集建立和驗(yàn)證了近岸平臺(tái)樁柱群中多相流擴(kuò)散預(yù)測(cè)的理論模型。該裝置的設(shè)計(jì)理論依據(jù)基礎(chǔ)強(qiáng)，使用簡(jiǎn)單、方便且準(zhǔn)確度高，可直接應(yīng)用近岸平臺(tái)樁柱群中多相流擴(kuò)散的演化預(yù)測(cè)。