室内物理模拟平台

(二)室内物理模拟平台

实验模拟研究是物理海洋学不可忽略的重要组成部分。实验室物理模拟的特点是:

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;

⑤实验模拟研究可以加强海洋科学的学生动手动脑和观察能力，培养创新能力，提高教学效果。

由于海洋学实验设备的特殊性，绝大部分需要根据实验要求自行设计和制造。几年来，物理海洋与海洋学实验室建设了10套基本实验平台，研制了相应的配套实验方法和实验仪器设备，设计了一系列经典物理海洋教学实验。实验教学分为基础实验课和研究性实验两种类型。

第一类主要教学对象是本科生，作为加深对所学的理论知识的理解，培养本科生的实验技能的基本训练。时间一般按照教学课时安排。

第二类是研究型实验，包括创新性、探索性实验研究。主要对象是部分优秀本科生和本科生毕业论文以及研究生的实验研究。一般以专题的形式进行。每个专题所需时间一般在一学期左右。实验研究专题包括:

·气泡运动和破碎观测实验;

·水面飞沫和水滴观测实验;

·毛细波与毛细重力波测量;

·波面斜率的测量;

·波—流相互作用的实验;

·海—气交换的实验;

·海气边界层测量实验;

·大波破碎和微破碎观测;

·沉降观测实验;

·波面下水质点的轨迹观测;

·波面位移与水下压力之间的关系的实验;

·波浪参数随风区风时的变化的实验;

·波浪参数的概率分布的测量;

·波浪的浅水变形的观测实验;

·随机波实验;

·波浪对水中物体作用力的实验;

·内波实验;

·混合演示实验;

·温跃层演变实验;

·PIV观测实验;

·科氏力现象观测;

·Tayloy柱现象观测;

·Ekman层现象观测;

·罗斯贝波模拟实验;

·地转流及涡旋模拟;

·线性Barotropic波演示;

·层化现象演示;

·层化流体中的湍流实验;

·Baroclinic不稳定性现象的演示;

·大尺度海流模拟实验;

·大洋环流模拟实验。

以下分别介绍该平台的主要仪器设备

1.风—浪—流多功能水槽

风—浪—流水槽高1m、宽0.8m、长23m，采用闭合回风和回流结构，配有数控造波机和可调风机、流机。回风段配有标准风洞。水槽中的空气和水可以加温、加二氧化碳，可以模拟风、浪、流以及相互作用，再现海—气边界层物理过程、海—气交换、海面微结构等物理海洋现象。

2.地球流体实验旋转平台

地球流体旋转实验台是物理海洋学和大气科学专业重要实验设备，是利用实验模拟方法研究大洋环流、大气环流和地球流体的一些运动现象，是物理海洋教学研究必需的实验设备之一。旋转流体实验对于揭示地球流体特征，模拟旋转条件下的大洋和大气运动具有其他手段不可代替的作用。

为了实现旋转流体实验的教学演示，实验室建造有4种不同规格的转台，还相应配套了测量仪器设备和图像演示设备。根据教学计划，“实验物理海洋学”课程开设多个实验演示内容，例如旋转流体力学经典现象演示、罗斯贝波演示、大洋环流实验模拟演示、大尺度分层流体中的扰动波实验演示等。

3.波—流相互作用实验水槽

该水槽可以通过隔板构成不同的流场组合，如上升流、下沉流、顺风流、逆风流等。进行风与不同流动的相互作用的实验和演示，还可以进行风生毛细波方面的实验。

波—流相互作用实验水槽示意图

4.剪切流循环水槽

该水槽为一种小型循环水槽，采用一种特殊的摩擦泵驱动层化流体运动，还可以形成各种剪切流，用于湍流和层化流体结构方面的实验研究。

5.数控内波实验水槽

该内波水槽长5m、宽0.26m、高0.6m。配有自主研发的内波造波机，多通道内波测量仪和数控层化装置。可以进行多种内波实验教学和研究。

数控内波实验水槽示意图

6.流场水电比拟实验装置

该装置由水电比拟模拟实验池和三维数控坐标架组成。三维数控坐标架在电脑的控制下，根据程序和事先输入的边界位置数据，对测量区域进行逐点扫描和数据采集，同步输入计算机，并根据各测点的坐标及电位值绘制出电场等位线(即流场的等势线)、电压降矢量图(即流场的矢量图)和流速大小分布图。