一種水槽實驗中水質點示蹤裝置及其使用方法
【專利摘要】本發明屬于實驗裝置領域，具體為一種水槽實驗中水質點示蹤裝置及其使用方法，包括支架、橫桿、以及示蹤部件；所述支架安裝于水槽上；所述橫桿安裝于支架上并可沿支架長邊的長度方向滑動；所述示蹤部件包括連接繩以及固定于連接繩上的示蹤粒子；所述連接繩安裝于橫桿上并可沿橫桿的長度方向移動。本發明結構簡單、操作方便、使用靈活方便、成本低且示蹤性能良好，能直接觀測水槽波流場中任一水質點的運動軌跡。
【專利說明】
一種水槽實驗中水質點示蹤裝置及其使用方法
技術領域
[0001] 本發明屬于實驗裝置領域，具體為一種水槽實驗中水質點示蹤裝置及其使用方 法。
【背景技術】
[0002] 已有研究表明，波浪對物體進行沖擊時，產生最大傷害的沖擊力不是表面行進的 波速而是由波浪內部水質點的速度即海流速度，即使受災體脆弱性很小，也難以避免波浪 內部水質點所引起的海浪災害。不僅在波浪場中，在真實波流場中的水質點的運動軌跡亦 是質點原始坐標、時間、波高、波長和水深的函數，而且還要受到原始水流流速及其分布特 性的影響。對實際水質點軌跡的示蹤研究，由于缺乏必要的實驗手段至今還進行得很少。
[0003] 水質點示蹤是指利用人為制造的示蹤劑來替代水質點，將水質點在波流場中的運 動軌跡展示出來并可用攝像機等儀器拍攝記錄。水質點示蹤不僅是探討波流場中水質點的 運動特性的關鍵，而且可應用于相關波浪理論課程的教學演示，激發學生們的學習熱情。
[0004] 目前對水質點運動軌跡的示蹤手段多采用PIV流速測量系統，雖然PIV流速測量系 統具有較高的精確度，但PIV整套設備過于昂貴，且拍攝結果不直觀，后期處理步驟繁雜，不 能直接展示出來。另一種較為常用的示蹤方法是直接利用密度與水接近的固體浮子作示蹤 劑，但局限于現階段的工藝技術，實驗過程中水溫要受氣溫或水栗等影響而變化，水容重也 相應發生變化，固體浮子的比重不可能做到與水比重完全一致，浮子本身在靜水中具有一 定沉速或浮速。雖然也有人利用液體示蹤劑來研究水質點的運動，在某種程度上彌補了固 體浮子的一些缺陷，但液體示蹤劑有易擴散的缺點，水質點運動較為劇烈時，以及追蹤時間 較長時容易失效。
【發明內容】
[0005] 本發明提供一種結構簡單、操作方便、使用靈活方便、成本低且示蹤性能良好的水 槽實驗中水質點示蹤裝置及其使用方法，其能直接觀測水槽波流場中任一水質點運動軌 跡。
[0006] 為實現上述技術目的，本發明采取的具體的技術手段為:一種水槽實驗中水質點 示蹤裝置，包括支架、橫桿、以及示蹤部件;所述支架安裝于水槽上;所述橫桿安裝于支架上 并可沿支架長邊的長度方向滑動;所述示蹤部件包括連接繩以及固定于連接繩上的示蹤粒 子;所述連接繩安裝于橫桿上并可沿橫桿的長度方向移動。
[0007] 作為本發明改進的技術方案，所述支架包括兩個平行設置的長桿，兩個平行設置 的長桿相向的一側設有供橫桿平行移動的滑槽;所述橫桿在兩端設有連接部，連接部的尺 寸與滑槽的尺寸匹配，橫桿通過連接部安裝于滑槽中。
[0008] 作為本發明改進的技術方案，所述長桿標有刻度。
[0009] 作為本發明改進的技術方案，所述長桿底面設有安裝槽，支架通過安裝槽安裝于 水槽上。
[0010] 作為本發明改進的技術方案，所述連接繩通過卷管安裝于橫桿上;所述橫桿在垂 直于橫桿上表面的方向設置矩形通孔槽;所述卷管通過矩形通孔槽安裝于橫桿上，并且卷 管能通過矩形通孔槽沿橫桿的長度方向移動。
[0011] 作為本發明改進的技術方案，所述卷管帶有外螺紋，卷管通過螺母墊圈組合安裝 于橫桿上。
[0012] 作為本發明改進的技術方案，所述橫桿的上表面標有刻度。
[0013] 作為本發明改進的技術方案，所述連接繩為可吸水的繩，且連接繩的密度較水的 密度小。
[0014] 作為本發明改進的技術方案，水槽實驗中水質點示蹤裝置的使用方法，包括如下 步驟:A、測量實驗室中水槽的尺寸、率定波流場的波浪要素和水流流速，并根據所得數據確 定支架的尺寸和示蹤粒子的布設位置;B、根據實驗需要，調節橫桿在支架上的位置、卷管在 橫桿上的位置以及連接繩的長度確定示蹤粒子的空間位置;C、開啟水槽實驗裝置利用圖像 記錄設備記錄實驗過程，把實驗視頻轉換成照片幀，在每幀照片中獲得對應時刻示蹤粒子 的坐標，將所得坐標數據點依次連接描繪出示蹤粒子的運動軌跡。
[0015] 有益效果 該裝置將示蹤粒子用連接繩串接、連接繩纏繞于卷管上，卷管安裝在支架上使示蹤粒 子處于懸浮狀態，通過調整卷管的位置與連接繩的長度使得示蹤粒子能處于波流場任一位 置;另外，通過連接繩固定示蹤粒子，使得示蹤粒子不會因為與水體密度的差異而在重力與 浮力作用下產生向下的合力，有效的改善了現有技術中示蹤粒子沉降擴散的問題。該裝置 成本不足800元，而現有技術中的PIV示蹤裝置價格高達80萬以上，極大地降低了制作成本， 且示蹤性能良好，可用于相關波浪課堂演示以及對精度要求較高的實驗。
【附圖說明】
[0016] 圖1本發明的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置的主視圖； 圖2本發明的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置的側視圖； 圖3本發明的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置的俯視圖； 圖4本發明的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置中長桿的端面視圖； 圖5本發明的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置中橫桿的主視圖； 圖6本發明的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置中橫桿的俯視圖； 圖7本發明的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置中卷管示意圖； 圖8實施例1中的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置實驗過程中在0m深處的示蹤粒子軌 跡圖； 圖9實施例1中的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置實驗過程中在0.132m深處的示蹤粒 子軌跡圖； 圖10實施例1中的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置實驗過程中在0.266m深處的示蹤 粒子軌跡圖； 圖11實施例1中的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置實驗過程中在0.356m深處的示蹤 粒子軌跡圖； 圖12實施例1中的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置實驗過程中在0.527m深處的示蹤 粒子軌跡圖； 圖13實施例1中的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置實驗過程中在0.66m深處的示蹤粒 子軌跡圖； 圖14實施例1中的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置實驗過程中示蹤粒子在深度Om、 0.132m、0.266m、0.356m、0.527m與0.66m處的示蹤粒子綜合軌跡圖； 圖中，1、卷管;2、支架;3、長桿;4、短桿;5、橫桿;6、示蹤粒子;7、連接繩;8、示蹤部件;9、 滑槽;1 〇、安裝槽;11、矩形通孔槽;12、連接部。
【具體實施方式】
[0017] 為使本發明實施例的目的和技術方案更加清楚，下面將結合本發明實施例的附 圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明的 一部分實施例，而不是全部的實施例。基于所描述的本發明的實施例，本領域普通技術人員 在無需創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0018] 本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術 語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該 理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意 義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0019] 本發明中所述的"長、短"的含義指的是相對于設備本身而言，指支架的兩邊的尺 寸，較長一側為長桿，較短一側為短桿，而非對本發明的裝置機構的特定限定。
[0020] 本發明中所述的"連接"的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過 其它部件的間接連接。 實施例
[0021] -種水槽實驗中水質點示蹤裝置，包括支架2、橫桿5、以及示蹤部件8;所述支架2 安裝于水槽上，并且支架2的尺寸根據水槽的尺寸設置;所述橫桿5安裝于支架2上并可沿支 架2長邊的長度方向滑動;所述示蹤部件8包括連接繩7以及固定于連接繩7上的示蹤粒子6; 所述連接繩7安裝于橫桿5上并可沿橫桿5的長度方向移動。橫桿5的長度方向是指整個橫桿 5整體最長的一個方向。
[0022] 在本實施例中，所述支架2包括兩個平行設置的長桿3與分別固定于長桿3兩端的 兩個短桿4;長桿3在底面設有安裝槽10,安裝槽10的尺寸與水槽的邊緣尺寸匹配，支架2通 過安裝槽10安裝于水槽上;兩個平行設置的長桿3在相向的一側設有供橫桿5平行移動的滑 槽9;所述橫桿5在兩端設有連接部12，連接部12的尺寸與滑槽9的尺寸匹配，橫桿5通過連接 部12安裝于滑槽9中；所述橫桿5在垂直于橫桿5上表面的方向設置矩形通孔槽11，所述矩形 通孔槽11只有四個側壁，無底壁，四個側壁所圍成的空隙能夠保證卷管1能夠穿過矩形通孔 槽11并能沿著空隙在橫桿5的長度方向往返移動;所述連接繩7通過卷管1安裝于橫桿5上， 所述卷管1帶有外螺紋，卷管1穿過矩形通孔槽11后通過在卷管1位于橫桿5的上方與下方同 時安裝螺母墊圈組合，實現將卷管1夾持于橫桿5上，并且安裝完成后通過松緊螺母墊圈組 合移動卷管1，使卷管1能沿橫桿5長度方向移動，具體為通過調節兩個螺母墊圈組合的松緊 度進而使得卷管1能夠活動，然后根據實驗需要調整卷管1在橫桿5上的位置； 為了使得調整示蹤粒子6在水槽中的位置更加方便，長桿3、橫桿5上表面以及連接繩7 標有刻度。
[0023] 為了使得連接繩7對波流場運動的影響最小所述連接繩7為可吸水的繩，且連接繩 7的密度較水的密度小。且連接繩7的直徑小于示蹤粒子6的直徑。
[0024] 作為本發明改進的技術方案，所述水槽實驗中水質點示蹤裝置的使用方法包括如 下步驟:A、測量實驗室中水槽的尺寸、率定波流場的波浪要素和水流流速，并根據所得數據 確定支架2的尺寸和示蹤粒子6的布設位置;B、根據實驗需要，調節橫桿5在支架2上的位置、 卷管1在橫桿5上的位置以及連接繩7的長度確定示蹤粒子6的空間位置;C、開啟水質點示蹤 裝置利用攝像機拍攝實驗過程，并將實驗視頻轉換成照片幀，在每幀照片中獲得對應時刻 示蹤粒子6的坐標，將所得坐標數據點依次連接描繪出示蹤粒子6的運動軌跡。
[0025] 本實施例中基于示蹤粒子6懸浮的水質點示蹤的水槽實驗裝置所用儀器及結構尺 寸： 1 ?水槽長 X 寬 X 高=60m X lm X 1 ? 5m; 2. 示蹤部件8由六個密度1.03g/cm3、直徑2mm的球狀ABS塑料顆粒示蹤粒子6在3m長的 可吸水的連接繩7上排列組成，靜止狀態時，連接繩7處于水槽中央位置，與兩邊壁的距離均 為0?5m; 3. 卷管1由高X直徑=0.20mX 0.05m、牙距為1.0mm的圓柱螺紋鋼管構成，卷管1通過螺 母墊圈組合固定于橫桿5上，并且卷管1在伸出上方螺母墊圈組合的部分可作為用于調整連 接繩7長度的轉動手柄。
[0026]支架2由不銹鋼材料制備而成，形成"類口"形支架2，其中支架2長桿3尺寸為:長X 寬X高=1.5mX0.2mX0.14m，長桿3上滑槽9的尺寸為：長X寬X高=1 ? lmX0? 03mX0? 02m; 支架2長桿3上安裝槽10的尺寸為:長X寬X高=1.5mX 0. lmX 0.04m;支架2短桿4尺寸為:長 X寬X高=0.8mX 0. lmX 0.14m，為了保證支架2的穩固性在支架2的外圍設有框架;橫桿5的 尺寸為：長X寬X高=0.8m X 0 . lm X 0.14m;橫桿5連接部12的尺寸：長X寬X高=0.03m X 0. lm X 0.02m，橫桿5上矩形通孔槽11的尺寸為長X寬=0.8m X 0.06m。
[0027]拍攝裝置主體為佳能5DMaxl 11及配套三腳架，三腳架中心固定在示蹤粒子6連接 繩7正前方1.5m處。
[0028]本發明裝置的工作過程如下： 1.按照圖1所示，取水槽水深〇. 66m，對波浪進行率定，在實施例1的條件下規則入射水 波波高為〇.l〇m，入射波的周期選用1.20秒，波浪經過示蹤部件8后，引起示蹤粒子6運動。
[0029] 首先，將支架2固定于實驗所需的范圍處，將示蹤部件8大致移動到需觀測位置，再 通過橫桿5在長桿3上的位置調整示蹤部件8在X方向的位置;然后通過卷管1在橫桿5上的位 置調整示蹤部件8在Y方向的位置;最后旋轉卷管1調節連接繩7的長度，使六個示蹤粒子6均 位于波流場中所需觀測水質點位置。
[0030] 使用攝像機拍攝不5?示粒子6的運動軌跡。
[0031] 如需研究不同波浪要素對水質點運動的軌跡，則只需在上述過程1中改變波浪要 素初始條件，然后再根據上述過程2~3進行試驗。
[0032]對所測得的試驗數據進行分析，示蹤粒子6深度為0m的結果如圖8、示蹤粒子6深度 為0.132m的結果如圖9、示蹤粒子6深度為0.266m的結果如圖10、示蹤粒子6深度為0.356m的 結果如圖11、示蹤粒子6深度為0.527m的結果如圖12、示蹤粒子6深度為0.66m的結果如圖 13。示蹤粒子6在六個不同深度處的擬合軌跡在同一坐標系的結果如圖14所示。
[0033]由圖8、圖9、圖10、圖11與圖12中可以看出，實測示蹤粒子6軌跡均呈現明顯的封閉 橢圓；由圖13可知水底處示蹤粒子6只沿長軸方向左右擺動；由圖14可以看出，在相同波浪 要素下，不同深度處的水質點軌跡隨著深度的增加而變小，長短軸差異隨深度增加而增大， 均符合波浪理論的規律。
[0034]由表1中的誤差分析可知數據點的擬合軌跡與理論水質點軌跡誤差均不超過1%， 精度非常高，說明示蹤裝置的示蹤性能良好。表1中a實際指的是示蹤粒子擬合軌跡的長半 軸；a理論指的是根據波浪理論推算的水質點軌跡的長半軸；表中代表水下，例如 0.266m"代表水下深度為0.266m。
[0035] 表1示蹤粒子在不同深度下測量的結果與實際結果的誤差值
原理:現有示蹤手段局限于直接將示蹤粒子6投入水中，示蹤粒子6的密度與水必然存 在差異，浮力與重力不能完全平衡，示蹤粒子6在合力作用下會產生自身的升降運動，不能 等效地替代自然狀態中的水質點，示蹤粒子6的直觀性也不夠好。本發明通過示蹤粒子6連 接繩7串接密度比水稍大的示蹤粒子6并與可移動支架2相連接，使得示蹤粒子6處于"懸浮 狀態"，能夠等效替代靜態波流場中的水質點，為了降低連接繩7對示蹤粒子6在運動波流場 中的豎向約束作用，連接繩7選用可吸水的輕細繩并在水槽底部留有足夠的富余長度。
[0036] 示蹤粒子6連接繩7采用可吸水的自身密度可忽略不計的細繩，連接繩7吸水后密 度與水接近，可近似替代所在位置的水體，幾乎不對波流場的運動產生影響。
[0037] 以上僅為本發明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對 本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明 構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種水槽實驗中水質點示蹤裝置，其特征在于，包括支架、橫桿、以及示蹤部件;所述 支架安裝于水槽上;所述橫桿安裝于支架上并可沿支架長邊的長度方向滑動;所述示蹤部 件包括連接繩以及固定于連接繩上的示蹤粒子;所述連接繩安裝于橫桿上并可沿橫桿的長 度方向移動。2. 根據權利要求1所述的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置，其特征在于，所述支架包括 兩個平行設置的長桿，兩個平行設置的長桿相向的一側設有供橫桿平行移動的滑槽;所述 橫桿在兩端設有連接部，連接部的尺寸與滑槽的尺寸匹配，橫桿通過連接部安裝于滑槽中。3. 根據權利要求2所述的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置，其特征在于，所述長桿標有 刻度。4. 根據權利要求1所述的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置，其特征在于，所述長桿底面 設有安裝槽，支架通過安裝槽安裝于水槽上。5. 根據權利要求1所述的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置，其特征在于，所述連接繩通 過卷管安裝于橫桿上;所述橫桿在垂直于橫桿上表面的方向設置矩形通孔槽;所述卷管通 過矩形通孔槽安裝于橫桿上，并且卷管能通過矩形通孔槽沿橫桿的長度方向移動。6. 根據權利要求5所述的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置，其特征在于，所述卷管帶有 外螺紋，卷管通過螺母墊圈組合安裝于橫桿上。7. 根據權利要求1所述的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置，其特征在于，所述橫桿的上 表面標有刻度。8. 根據權利要求1所述的一種水槽實驗中水質點示蹤裝置，其特征在于，所述連接繩為 可吸水的繩，且連接繩的密度較水的密度小。9. 一種如權利要求1-8任一所述的水槽實驗中水質點示蹤裝置的使用方法，其特征在 于，包括如下步驟:A、測量實驗室中水槽的尺寸、率定波流場的波浪要素和水流流速，并根 據所得數據確定支架的尺寸和示蹤粒子的布設位置;B、根據實驗需要，調節橫桿在支架上 的位置、卷管在橫桿上的位置以及連接繩的長度確定示蹤粒子的空間位置;C、開啟水槽實 驗裝置利用圖像記錄設備記錄實驗過程，把實驗視頻轉換成照片幀，在每幀照片中獲得對 應時刻示蹤粒子的坐標，將所得坐標數據點依次連接描繪出示蹤粒子的運動軌跡。
【文檔編號】G09B25/00GK105894938SQ201610400259
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】劉亞伊, 陶愛峰, 蘇俊瑋, 蔡穎, 王懿
【申請人】河海大學