泰勒柱实验

物理海洋实验讲义

海洋环境学院

2008年3月

目录

物理海洋实验的概述

物理海洋实验的基本设备

实验1 风浪水槽平均风速测量

实验2 水槽风浪波面位移的测量和分析实验3 海-气边界层的测量和分析

实验4 水下压力波动的测量与分析

实验5 科氏力实验

实验6 泰勒柱实验

实验7 Rossby波的实验模拟

物理海洋实验的概述

一．引言

众所周知，物理海洋学是流体力学的一个重要分支，是研究海洋流体和地球流体动力过程的一门学科。物理海洋学本身又是以应用和实践为主的学科，其研究方法可分为理论研究、数值模拟、实验研究和海洋调查。各者互为补充，又不可代替。其中实验研究是物理海洋学的不可忽略的重要组成部分。它的研究范围遍及物理海洋学的各个领域，对物理海洋学地发展起着关键性的作用。

二．物理海洋实验和海洋调查

从广义上讲，现场海洋调查也属于实验研究的范畴，所不同是，海洋调查直接探测的对象是真实的海洋，而实验研究大多在实验室模拟环境下进行。

海洋现场调查是研究海洋的重要方法，是直接获取海洋资料的主要途径。但是海洋调查有局限性：

1）属于被动观测，无法控制环境条件，无法重复现象和过程。

2）对于有些非静态的变化过程或者大尺度现象，仅靠有限的海上单点时间序列的现场观测是无法全面了解的。

3）近代海洋卫星遥感技术虽然可以大范围观测海洋，但是对于海洋内部的过程仍然无法直接观测到。

4）海上条件复杂和恶劣，且观测费用昂贵，不易采用系统的和精密的、重复的观测手段。

相比之下，实验室物理模拟研究的优点是：

1）可以控制实验条件，如背景风和背景流。

2）可以重复再现海洋现象和过程；

3）可以运用各种先进技术手段，精细的、全面的观测；

4）可以观察到现象的内部规律，比如内波、毛细波、Rossby波、海洋湍流、贴水面边界层、水下水质点运动等等。

三．物理海洋实验研究的主要任务

1．研究海洋运动中的新现象和相应的基本规律，探索相应的基本规律在物理海洋学研究的许多分支中心的发现和重大研究成果不断涌现。大量的研究领域和课题仍属于未知。许多问题还未能很好的解决，远非单纯的理论分析和数值计算能够胜任。因此，实验研究的任务是不断的研究海洋运动中的新现象和相应的基本规律，探索相应的基本规律。即便是某些运动规律或现象已经可以从理论上得到预测的情况下，在没有充分的实验验证之前通常是不会得到人们的正式承认的。

2．研究海洋各种尺度过程之间的关系

在海洋中，存在着各种尺度的过程。大到行星尺度的地转运动，小到海面毛细结构的微尺度过程。他们之间并不是简单独立的，而是存在着相互作用及能量交换。实验研究的的对象是经比尺变换的模型，模拟范围遍及各种尺度，最有条件研究各种尺度过程之间的相互关系。

3．利用模拟技术解决应用中的实际问题

实验研究的诀窍在于利用模拟技术，以最小的代价和有限的实验条件来发现、证实或重现某种具有研究价值的物理规律或实际应用问题，解决一些理论方法和数值方法无法解决的实际问题，这对海洋工程尤其具有重要意义。

4．发展实验仪器和测量方法

实验仪器是开展实验研究的必要手段。在多数情况下，实验工作者可以利用和购置现有的产品，更多的侧重于熟练地和正确地掌握使用仪器。但是，在有些情况下，实验研究需要研究人员自行研制设计开发新仪器和新方法。实验研究的进展，往往取决于新技术和手段的突破。

一般来说，一个国家的科学水平常常反映在实验室中。因而，实验研究在一定意义上反映着整个学科的水平。近年来，随着科学技术的发展，大量的高科技术和尖端仪器应用于实验研究。但是，总体来说，仍与实验研究的工作需要不相适应。因此，正确的设计和组织实验研究工作，有预见性地选择和安排实验课题，合理地使用仪器和测量技术，发挥现有条件的作用，研究实验技术并有效的方法来实现预期的研究目标，这是实验研究的重要任务。要求实验研究者为完成研究目标具有最大的灵活性并在实践中锻炼学识、提高驾驭学科某个领域的能力。

物理海洋实验的基本设备

物理海洋实验的设备种类繁多。根据不同的研究对象需要不同的实验设备。若以研究对象的尺度分类可分为小尺度现象模拟实验设备和大尺度现象模拟设备。其中有代表性的是风-浪-流水槽和地球流体旋转平台等。下面简要介绍我校海洋环境学院物理海洋和海洋学实验室的这几种基本设备。

一．风-浪-流实验水槽

风-浪-流实验水槽通过风机、造波机、流机，在封闭的管道中形成人工的风、浪、流，构建一个模拟海面实际情况的背景环境，能够局部再现海上风、浪、流以及相互作用的一些基本动力过程和各种小尺度物理海洋现象，可以运用各种技术手段，近距离的观测许多海洋现象，观察海洋的内部各种运动规律，还可以进行多种模拟实验。是物理海洋模拟实验特别是小尺度海洋实验常用的基本设备。

图1 风-浪-流水槽示意图

我校海洋系物理海洋与海洋学实验室的风-浪-流水槽工作段高 1.2m, 宽0.8m, 长25m，水槽底面离地面0.6m。整体采用全不锈钢框架结构。水槽的侧面和底面均为跨度为3m的双层玻璃板。水槽管路采用闭合回风和回流结构，回风和回流部分采用玻璃钢材料的管道。由于水槽的闭合性，槽内空气和水都可以加温，加二氧化碳。水槽顶盖两侧有双道轻轨，水槽上方的屋顶架设有负重导轨，为实验设备的架设和移动提供了方便。

水槽配设的风机可以产生从2m/s到15m/s的风速。流机可产生0.05m/s到1.0m/s的流速。造波机可制造最大波面位移达30cm的规则波和随即波。这些基本功能可以满足许多物理海洋实验的要求。水槽的回风管道部分，有一个用于流体力学实验的标准风洞，可用于边界层实验，环境模拟实验，气象仪器检测，工程实验等等。

图2 风浪流水槽结构图

在使用水槽之前，首先要了解实验水槽的基本情况，比如，水槽的风速变化范围，风浪基本参数，水流的参数等，这些参数对于合理选择实验区段，估计试验误差，减少实验的重复性和盲目性以及对于分析和判断实验室结果和海上现场调查结果之间的差别都是不可缺少的。

二．地球流体旋转平台

地球流体动力学实验研究的对象是地球上的大气和海洋等大中尺度运动过程和现象。在大中尺度过程中，地球旋转效应起着重要作用。为了模拟旋转坐标系中的地球流体运动，实验需在一个旋转条件下进行。旋转平台提供了一个模拟地球自转的实验条件。

根据地球旋转流体实验的要求，转台需要具备如下基本条件：

1. 转速均匀，转速范围为0.5～30rpm，无级调速；

2．转台具有一定的承载能力；

3. 转台平面水平，无明显起伏和振动；

4. 转台上下有集流环提供强电通道；

5. 转台上配有照明光源和相应的测量仪器；

6. 转台上架设随转台同步旋转的电子摄像机