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(dòng)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(shí)間長, 對(duì)天氣和氣候影響深遠(yuǎn), 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(cè)數(shù)據(jù)。針對(duì)海氣作用不同尺度過程, 可以利用船舶、浮標(biāo)、飛機(jī)、雷達(dá)、衛(wèi)星等工具, 在水下、邊界層和空中同時(shí)進(jìn)行立體觀測(cè)。然后, 采用不同的數(shù)值模式, 利用大型計(jì)算機(jī)進(jìn)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(gè)非常重要的方面——微尺度過程(毫米級(jí)到米級(jí)尺度)卻一直面臨觀測(cè)難的局面。許多微尺度過程具有典型的間歇性湍流運(yùn)動(dòng)特征, 其測(cè)量的難點(diǎn)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(cè)平臺(tái)一直是科研人員努力的方向。

為解決微尺度過程現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中存在的問題, 室內(nèi)模擬仿真實(shí)驗(yàn)研究一直是很重要的方法, 即利用多功能水槽對(duì)海氣界面的微尺度過程進(jìn)行模擬, 在此基礎(chǔ)上開展系列觀測(cè)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(yùn)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(gè)高效、便捷的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 從而獲得大量、穩(wěn)定的研究數(shù)據(jù)。而我國對(duì)于海氣界面微尺度過程的觀測(cè)目前還處于國際20世紀(jì)90年代的水平,特別是偏重于機(jī)理研究的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(cè)技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展水平, 設(shè)計(jì)、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(yàn)研究。

1 水槽功能設(shè)計(jì)

小型多功能水槽在功能設(shè)計(jì)上應(yīng)能滿足包括微尺度坡度場(chǎng)、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(cè)需要, 鑒于微尺度過程易受擾動(dòng)的特點(diǎn), 測(cè)量手段盡量選擇非接觸方式, 因此聲光測(cè)量是主要的方式。

1.1 海面微尺度坡度場(chǎng)觀測(cè)

對(duì)海面坡度場(chǎng)的時(shí)序觀測(cè)可以較好地獲取海表面毛細(xì)波和毛細(xì)重力波的運(yùn)動(dòng)特征。而海表面毛細(xì)波和毛細(xì)重力波的運(yùn)動(dòng)特征受到各種環(huán)境因素的調(diào)制, 對(duì)于理解海氣界面動(dòng)量熱量和物質(zhì)交換過程、電磁波與波浪間相互作用機(jī)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(cè)量海面微尺度坡度場(chǎng)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(dòng)力過程光學(xué)測(cè)量裝置性能設(shè)計(jì)

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

1.3 界面熱輻射測(cè)量裝置性能設(shè)計(jì)

由于大氣對(duì)太陽的短波輻射是近乎透明的, 所以到達(dá)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(duì)天氣過程的形成有重要影響, 而且對(duì)長期氣候過程有巨大作用。由于海面波動(dòng)以及海水皮溫與體溫的差異,使得對(duì)界面水溫接觸式、單點(diǎn)測(cè)量會(huì)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(cè)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(jì)

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(chǎng)地及水槽總體尺寸的要求, 結(jié)合測(cè)量系統(tǒng)的觀測(cè)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(cè)段內(nèi)變化不超過±0.3 m/s。

2 水槽功能實(shí)現(xiàn)方案

2.1 水槽功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dòng)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(cè)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(jī)提供動(dòng)力, 通過線性模組帶動(dòng)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(shí)現(xiàn)消波功能。造風(fēng)系統(tǒng)由軸流風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力, 空氣通過進(jìn)風(fēng)口、導(dǎo)風(fēng)板、風(fēng)道等部分, 在水槽實(shí)驗(yàn)段形成均勻風(fēng)場(chǎng), 從而在水面激起微幅波。水槽底部設(shè)置有光學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)留的通光孔。水槽實(shí)驗(yàn)段集成微結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)量裝置、測(cè)量湍流運(yùn)動(dòng)過程的粒子成像速度儀(PIV)、測(cè)量混合擴(kuò)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(chǎng)光學(xué)測(cè)量裝置系統(tǒng)方案

利用光學(xué)方法對(duì)海面坡度場(chǎng)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(cè)量技術(shù), 包括太陽光耀斑攝像技術(shù)、光強(qiáng)編碼技術(shù)、激光探測(cè)裝置和掃描式激光坡度儀、立體觀測(cè)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(cè)入射角和反射角的信息, 推算坡度場(chǎng)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(cè)量裝置為代表。國內(nèi)研究者在國家 863計(jì)劃的支持下, 完成了利用顏色編碼技術(shù)進(jìn)行海面微尺度坡度場(chǎng)觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)室和船用的海面微結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)量裝置, 觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)達(dá)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(shì)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(cè)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(jìn)入攝像系統(tǒng),因此獲取圖像中每一個(gè)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(duì)應(yīng)的。經(jīng)過計(jì)算機(jī)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(shí)序記錄的多幅圖像, 即可獲得水面微結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化情況。攝像系統(tǒng)選用索尼公司 3CCD 相機(jī) 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(hào)為NT46-392。

圖2 微結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)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(dòng)力過程光學(xué)測(cè)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(diǎn)上的速度分布信息, 可提供豐富的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)特性。因此, 利用2D/3DPIV技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)微尺度過程的二維和三維運(yùn)動(dòng)場(chǎng)測(cè)量以及二維示蹤物的擴(kuò)散和混合過程測(cè)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(jī)、新型高速相機(jī)以及內(nèi)置式的時(shí)序控制板組成, 可以完成從極低速度的幾個(gè)毫米每秒到超音速測(cè)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(shí)間, 使得 PIV 測(cè)量由低速擴(kuò)展到高速。同步單元采用內(nèi)置式時(shí)序控制板, 其漂移對(duì)速度的影響可以控制在 1×10–7m/s(100 m/s時(shí))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(chǎng)的精確測(cè)量型號(hào), 移動(dòng)精度為每300 mm存在±5 μm的誤差, 具有6.25 μm的移動(dòng)分辨率。上述設(shè)備的組合可實(shí)現(xiàn)速度測(cè)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(shí)提供熒光溫度場(chǎng)的測(cè)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(dòng), 采用非接觸方式測(cè)量不同點(diǎn)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(cè)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(diǎn), 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(cè)量范圍–10～800℃。溫度分辨率0.1℃(30℃時(shí)), 優(yōu)于市場(chǎng)上絕大多數(shù)產(chǎn)品的1℃。像素?cái)?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(yùn)動(dòng)變化, 形成觀測(cè)海氣界面微尺度過程的模擬對(duì)象系統(tǒng)。目前, 主流的造波方式有機(jī)械式和氣動(dòng)式兩種。氣動(dòng)式是利用空氣氣流或者氣壓的變化產(chǎn)生波動(dòng)。機(jī)械式是通過造波部件的機(jī)械加擾動(dòng)來產(chǎn)生波動(dòng), 也是應(yīng)用較多的方式。機(jī)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(jī)械驅(qū)動(dòng), 令搖板繞固定軸擺動(dòng), 使池中水產(chǎn)生波動(dòng); 而推板式是造波板整體在水中做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于水槽主要用于模擬海洋表面的小尺度波動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)、降低能耗、減小機(jī)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(jī)示意圖。

設(shè)計(jì)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(jī), 以抽風(fēng)的方式在水槽內(nèi)造風(fēng)。為使進(jìn)風(fēng)流暢、風(fēng)速均勻,在水槽前端靠近搖板處安裝進(jìn)風(fēng)口, 在進(jìn)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(cè)段 內(nèi)變化不超過±0.3 m/s。

圖3 搖板造波機(jī)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(tái),完成信息采集、模式計(jì)算、控制實(shí)現(xiàn)等功能。造風(fēng)控制模塊主要功能是通過控制風(fēng)機(jī)變頻器實(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的編程, 控制搖板伺服系統(tǒng), 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波高和波長的閉環(huán)控制。

3 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

實(shí)驗(yàn)中, 目標(biāo)風(fēng)速設(shè)置為7 m/s。風(fēng)速上升時(shí)間tr為5.5 s; 調(diào)節(jié)時(shí)間ts為15.4 s; 實(shí)驗(yàn)段內(nèi)風(fēng)速降小于0.3 m/s。實(shí)驗(yàn)證明, 造風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速, 風(fēng)速精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求, 觀測(cè)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(jìn)行了多組不同規(guī)則譜和不規(guī)則譜實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

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

3.2 海面微尺度坡度場(chǎng)光學(xué)測(cè)量裝置系統(tǒng)

微結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明, 光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)幅寬200 mm, 斜率精度1°, 波長分辨率0.3 mm, 測(cè)量時(shí)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(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖10所示。

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

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出, 隨著風(fēng)速的增大, 三個(gè)方向上速度方差之和呈上升趨勢(shì), 符合試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)湍流強(qiáng)度的變化規(guī)律。

3.4 界面熱輻射測(cè)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(jī)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(shì)、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(cè)量圖Fig. 10 The velocity vector image by PIV system

圖11 ADV系統(tǒng)測(cè)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(shí)驗(yàn)證明, 所設(shè)計(jì)的小型多功能水槽造波機(jī)主要分系統(tǒng)都達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)和目的。系統(tǒng)整體運(yùn)行流暢, 能夠較好地模擬實(shí)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(yàn)平臺(tái)。

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