一种基于变截面水槽的线性密度分层营造装置及方法

1.本发明属于线性密度分层营造技术领域，具体涉及一种基于变截面水槽的线性密度分层营造装置及方法。


背景技术：

2.水槽实验是在城市中尺度流动研究和城市污染物迁移扩散研究的重要物理模型。它最显著的优势在于它可以精确的控制边界条件以及较高的时空分辨率。它在流场可视化、温度场和速度场测量等方面还拥有诸多优势。
3.在现有的水槽盐水线性密度分层营造方法中，并没有变截面水槽盐水线性密度分层营造方法。这就限制了利用水槽实验对山谷城市(变截面水槽)大气层结进行模拟，这大大限制了水槽实验在山谷城市城市热岛环流方面的研究，不利于相关科研工作者对变截面水槽研究中尺度流动研究的推进使用。
4.变截面水槽的密度分层营造是至关重要的问题。水槽实验可以成为真实地形和真实大气条件的良好的相似模型。在水槽中可使用不同密度(例如盐水)盐水的流体层来模拟大气的静态稳定性，以研究静稳天气下污染物的迁移扩散问题，传统的等截面水槽盐水线性密度分层营造方法基于实验水槽截面保持不变的情况下，通过改变两个水箱的初始体积及初始密度，最终可以生成任意线性盐水分层。
5.城市热岛效应是城市气候中典型的特征之一，城市热岛效应驱动的城市热岛环流发生在静风/弱风和稳定分层的条件下，其特征是低层的辐合流入、上层的辐散流出和中心城区的向上流动。它与城市风环境、热湿环境以及城市空气品质，污染物输送等密切相关。
6.对于山谷城市而言，因地形屏障和逆温现象所引起的高频静稳天气状态，将会造成更加不利的大气扩散条件以及有限的环境容量，导致热浪和雾霾天气频发。一方面，地形的屏障效应会致使城市内部风速减缓，此时由于大尺度背景风的缺失，城市区域的热量和污染物的消散只能依靠自然热压作用所形成的中尺度环流来完成。这里最具代表性的两种中尺度环流包括：山坡风和城市热岛环流，它们主导着山谷城市区域的传热传质，对城市环境起着决定性作用。另一方面，由于受到非均匀下垫面热力性质差异的影响，山谷或盆地上空更容易出现逆温层，这种现象通常也被称为“冷湖效应”，逆温层形成之后将会像“锅盖”一样覆盖在城市上空，对空气对流有着强烈的抑制作用，从而大幅制约了城市区域热量和污染物的扩散能力。
7.山谷城市由于山谷的屏障效应和逆温现象，导致相对平原城市，山谷城市更容易发生空气污染事件。因此利用变截面水槽实验详细地了解山谷城市中尺度环流作用下工业区域性排放污染物的扩散过程具有重要的科学研究和实际应用价值。
8.除此之外，在室内通风、储能、海洋内波、双扩散对流、分层水体污染物扩散等领域，变截面的密度分层的营造方法都有广阔的应用前景。例如在海洋内波研究领域，变截面密度分层的营造方法有助于提升海洋内波经过凹陷地形或凸起地形等复杂情况下海底分层环境模拟的可靠性。在分层水体污染物扩散领域，变截面密度分层的营造方法有助于不
同地形和不同下垫面情况下对其线性温度分层的模拟效果。
9.因此，迫切需要发明一种基于变截面水槽的线性密度分层营造装置及方法。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于变截面水槽的线性密度分层营造装置，满足了相关科研工作者利用变截面水槽实现线性密度分层营造的需求，可以应用在一些截面变化多变、形状复杂、精度要求高等的水槽实验物理模型的背景分层营造过程中。
11.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于变截面水槽的线性密度分层营造装置，包括变截面水槽和用于往变截面水槽内注水并营造出线性密度分层的线性密度分层营造系统；
12.所述变截面水槽包括支架、承载在所述支架顶部的水槽和设置在所述水槽内底部的变截面模型；
13.所述线性密度分层营造系统包括清水水罐、盐水水罐、浮漂和控制系统，所述盐水水罐的顶部入水口通过连接管道和设置在连接管道上的第一蠕动泵与清水水罐的底部出水口连接，所述盐水水罐的顶部入水口通过连接管道和设置在连接管道上的第二蠕动泵与盐水水罐的底部接口连接，所述盐水水罐上设置有搅拌器，所述盐水水罐的底部出水口通过连接管道以及均设置在连接管道上的第三蠕动泵和蠕动泵脉冲阻尼器与浮漂连接，所述浮漂放置在变截面水槽内的变截面模型上，所述第一蠕动泵、第二蠕动泵和第三蠕动泵均与控制器系统连接。
14.上述的一种基于变截面水槽的线性密度分层营造装置，所述支架为型材框架支架，所述变截面模型包括中部设置有凹槽的凹槽模型和铺设在凹槽模型的凹槽内的加热板。
15.上述的一种基于变截面水槽的线性密度分层营造装置，所述凹槽模型的中部设置的凹槽包括中心位置的水平面和设置在水平面两侧的倾斜面，所述加热板包括斜面侧加热板和中心加热板，所述中心加热板放置在所述水平面的中间位置处，所述斜面侧加热板的数量为两块且分别放置在所述倾斜面上，位于所述斜面侧加热板和中心加热板之间的水平面上设置有亚克力板。
16.上述的一种基于变截面水槽的线性密度分层营造装置，所述中心加热板和斜面侧加热板的形状均为带状长方形，所述中心加热板和斜面侧加热板的表面均喷涂有防反光黑漆层，所述斜面侧加热板和中心加热板与电线的连接处均设置有防水绝缘密封圈。
17.上述的一种基于变截面水槽的线性密度分层营造装置，所述支架的底部四脚均设置有万向轮，所述水槽为有机玻璃水槽，所述凹槽模型由亚克力材料制成，所述斜面侧加热板和中心加热板均为铜质加热板，所述凹槽模型的上表面均为磨砂黑色表面。
18.上述的一种基于变截面水槽的线性密度分层营造装置，所述的浮漂由泡沫盒和设置在泡沫盒内的聚氨酯多孔材料制成。
19.本发明还公开了一种可以大大简化变截面水槽线性密度分层营造的步骤，节约时间的变截面水槽密度分层营造方法，该方法包括以下步骤：
20.步骤一、往清水水罐和盐水水罐内注入清水，并往盐水水罐内注入盐；
21.步骤二、启动第二蠕动泵，将第二蠕动泵的流量设置为定值，并启动设置在所述盐水水罐上的搅拌器搅拌时长t，使盐水水罐中清水和盐充分溶解，配置成混合均匀的盐水；
22.步骤三、将浮漂放置在变截面模型上，启动第三蠕动泵，将第三蠕动泵的流量设置为定值，使用盐水水罐的初始浓度盐水填充变截面模型和水槽底部的缝隙；
23.步骤四、启动第一蠕动泵，控制系统按规律控制第一蠕动泵的流量，将清水水罐内的清水变流量注入盐水水罐中，使盐水水罐中的盐水密度按规律逐渐下降，同时继续启动第三蠕动泵，将第三蠕动泵的流量设置为定值，将盐水水罐中密度按规律逐渐下降的盐水注入变截面水槽中，在变截面水槽中形成稳定的随高度增高密度逐渐变小的盐水线性密度分层；
24.步骤五、待注水完成后，关闭第一蠕动泵和第三蠕动泵，通过变截面模型进行线性密度分层相关研究。
25.上述的方法，所述变截面模型包括中部设置有凹槽的凹槽模型和铺设在凹槽模型的凹槽内的加热板，所述凹槽模型的中部设置的凹槽包括中心位置的水平面和设置在水平面两侧的倾斜面，所述加热板包括斜面侧加热板和中心加热板，所述中心加热板放置在所述水平面的中间位置处，所述斜面侧加热板的数量为两块且分别放置在所述倾斜面上，位于所述斜面侧加热板和中心加热板之间的水平面上设置有亚克力板；
26.步骤三中所述将浮漂放置在变截面模型上，是将浮漂放置在中心加热板的中心正上方；
27.步骤三中所述使用盐水水罐的初始浓度盐水填充变截面模型和水槽底部的缝隙时，待初始浓度盐水水面填充至中心加热板的高度时停止填充，关闭第三蠕动泵；
28.步骤五中所述通过变截面模型进行线性密度分层相关研究时，启动中心加热板和斜面侧加热板加热，模拟热量；并在注入变截面水槽中的盐水中布置均匀的荧光粒子，通过片光源照射变截面水槽，可视化线性密度分层。
29.上述的方法，步骤四中所述启动第一蠕动泵，控制系统按规律控制第一蠕动泵的流量，将清水水罐内的清水变流量注入盐水水罐中时，对第一蠕动泵的流量控制方法为：
30.步骤401、推导第一蠕动泵的流量控制方程，具体过程为：
31.步骤4011、假设混合后溶液的体积等于混合前两种溶液的体积之和，将在(0，t)时间内盐水水罐中溶液质量的变化与流量之间的关系表示为：
[0032]vb
(0)ρb(0)-vb(t)ρb(t)＝∫
0t
qbρb(t)dt-∫
0t
qa(t)ρadt
ꢀꢀꢀ
(f1)
[0033]
将在(0，t)时间内盐水水罐中溶液体积的变化与流量之间的关系表示为：
[0034]vb
(0)-vb(t)＝qbt-∫
0t
qa(t)dt
ꢀꢀꢀ
(f2)
[0035]
其中，vb(0)为初始时刻盐水水罐内溶液的体积，vb(t)为t时刻盐水水罐内溶液的体积，ρb(0)为初始时刻盐水水罐内溶液的密度，ρb(t)为t时刻盐水水罐内溶液的密度；qb为盐水水罐的出口流量，为定值；qa(t)为t时刻清水水罐的出口流量，ρa为清水水罐中水的密度，为定值；
[0036]
步骤4012、结合公式(f1)和(f2)得到：
[0037][0038]
步骤4013、对公式(f3)左右两边同时求时间的导数，整理得到：
[0039][0040]
步骤4014、对公式(f4)左右两边求导，得到关于qa(t)的一阶微分方程：
[0041][0042]
步骤4015、将在(0，t)时间内水槽中溶液体积的变化与流量之间的关系表示为：
[0043]
∫
0z(t)
s(z)dz＝∫
0t
qbdt
ꢀꢀꢀ
(f6)
[0044]
将在(0，t)时间内水槽中溶液质量的变化与流量之间的关系表示为：
[0045]
∫
0z(t)
ρ(z(t))s(z)dz＝∫
0t
ρb(t)qbdt
ꢀꢀꢀ
(f7)
[0046]
其中，s(z)为水槽水平截面积随高度的变化关系，ρ[z(t)]为水槽内溶液密度随高度的变化关系，z(t)为t时刻水槽内溶液的深度；
[0047]
步骤4016、结合公式(f6)和(f7)得到：
[0048]
ρb(t)＝ρ[z(t)]
ꢀꢀꢀ
(f8)
[0049]
步骤4017、令：
[0050][0051][0052]
此时，x(t)与y(t)均为已知函数，将其代入公式(f5)中，将公式(f5)转化为能够求解的一阶线性微分方程，为：
[0053]q′a(t) x(t).qa(t) y(t)＝0
ꢀꢀꢀ
(f11)
[0054]
将t＝0代入公式(f4)，得到qa(t)的初始条件为：
[0055][0056]
结合公式(f11)和(f12)，求解得到第一蠕动泵的流量控制方程为：
[0057][0058]
步骤402、控制系统根据第一蠕动泵的流量控制方程控制第一蠕动泵的流量，将清水水罐内的清水变流量注入盐水水罐中。
[0059]
上述的方法，所述控制系统包括微控制器和与微控制器相接的触摸式液晶显示屏，所述微控制器的输入端接有设置在水槽内且用于对水槽内的液位进行检测的液位传感器，串联在第一蠕动泵的连接管道上且用于对第一蠕动泵的流量进行检测的第一流量传感器，串联在第二蠕动泵的连接管道上且用于对第二蠕动泵的流量进行检测的第二流量传感器，串联在第三蠕动泵的连接管道上且用于对第三蠕动泵的流量进行检测的第三流量传感器；所述微控制器的输出端接有第一蠕动泵流量控制器、第二蠕动泵流量控制器和第三蠕动泵流量控制器，以及用于控制搅拌器通断电的第一继电器、用于控制斜面侧加热板通断电的第二继电器和用于控制中心加热板通断电的第三继电器；所述第一蠕动泵与第一蠕动泵流量控制器连接，所述第二蠕动泵与第二蠕动泵流量控制器连接，所述第三蠕动泵与第三蠕动泵流量控制器连接，所述第一继电器串联在搅拌器的供电回路中，所述第二继电器串联在斜面侧加热板的供电回路中，所述第三继电器串联在中心加热板的供电回路中；
[0060]
步骤402中所述控制系统根据第一蠕动泵的流量控制方程控制第一蠕动泵的流量，将清水水罐内的清水变流量注入盐水水罐中时，采用预先将通过自主学习且根据第一蠕动泵的流量控制方程得到时间序列的变流量数据，将数据存储在微控制器中，采用微控制器通过第一蠕动泵流量控制器控制第一蠕动泵的方式实现；其中，通过自主学习且根据第一蠕动泵的流量控制方程得到时间序列的变流量数据的具体过程为：
[0061]
步骤a1、将微控制器通过通信模块与计算机连接；
[0062]
步骤a2、在计算机的matlab软件中，建立基于变截面水槽的线性密度分层营造装置的仿真系统，输入设计的s(z)和ρ[z(t)]，根据第一蠕动泵的流量控制方程进行计算，并进行曲线拟合，得到第一蠕动泵的设定流量时间变化曲线和水槽设定液面高度随时间变化曲线，再根据第一蠕动泵的设定流量时间变化曲线得到时间序列的变流量设定数据；
[0063]
步骤a3、计算机将时间序列的变流量设定数据通过通信模块传输给微控制器，微控制器根据时间序列的变流量设定数据，通过第一蠕动泵流量控制器控制第一蠕动泵，且在控制过程中，通过第一流量传感器对第一蠕动泵的流量进行实时检测，通过液位传感器对水槽内的液位进行实时检测，且将检测到的流量数据和液位数据通过通信模块传输给计算机；
[0064]
步骤a4、计算机在matlab软件中，根据检测到的流量数据，拟合得到第一蠕动泵的检测流量时间变化曲线，根据检测到的液位数据，拟合得到水槽检测液面高度随时间变化曲线，再根据第一蠕动泵的检测流量时间变化曲线得到时间序列的变流量检测数据；
[0065]
步骤a5、计算机将时间序列的变流量设定数据与时间序列的变流量检测数据在各个时间点处，对流量设定数据和流量检测数据进行平均，得到时间序列的变流量数据。
[0066]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0067]
1、本发明的装置满足了相关科研工作者利用变截面水槽实现线性密度分层营造的需求，此装置严格按照相似性原理和准则进行设计，能够模拟山谷城市(变截面水槽)大
气层结，不仅使相关科研工作者更加快速、便捷的的使用变截面水槽进行山谷城市热岛效应和城市热岛环流的研究，从而显著提升水槽实验在山谷城市通风研究领域的使用效果；如果补充相应的流场测量仪器和设备，还可用于山谷城市中对流边界层的结构、羽流扩散特性、污染物的扩散特性等科学研究，扩展变截面水槽在诸多其他领域中的应用，显著提高其使用价值。
[0068]
2、本发明中第一蠕动泵变流量控制的数据，由自行推导的流量控制方程，并通过自主学习获得，可自由依据实验水槽水平截面积随高度的变化规律，按照相关流量控制方程调整，得出实现任意变截面水槽稳定大气层结模拟所需的流量数据，从而可以大大简化变截面水槽线性密度分层营造的步骤，节约时间。
[0069]
3、本发明基于变截面水槽的线性密度分层营造装置的结构紧凑、没有运动部件，可以应用在一些截面变化多变、形状复杂、精度要求高等的水槽实验物理模型的背景分层营造过程中。
[0070]
4、本发明盐水溶液便于配置只需将适量的工业盐溶解于清水中即可，盐水溶液较低的冰点和较高的沸点，可以满足大线性背景分层营造的需求，从而可以使演示效果更加接近实际。
[0071]
5、本发明的演示操作非常方便，只需按照相应步骤，将盐水溶液通过下部通孔和一些管道部件用浮漂注入水箱之中，然后依据生成的变流量控制蠕动泵将清水注入盐水水罐不断稀释降低盐水水罐中浓度，即可形成变截面水槽稳定的线性密度分层；系统中每部分功能分工明确，非常便于操作，同时有利于复杂地形物理模型在水槽实验中的研究，便于理解和开展山谷城市中热岛效应和城市热岛环流的相关研究工作。
[0072]
6、本发明还具有重复性高、成本低、易于实现变截面水槽盐水线性密度分层等优点；由于流体流动稳定性不易控制的特点，如果操作不当，密度分层层可能会被破坏，影响使用效果，此时只要调整注入水箱的蠕动泵的流量，保证蠕动泵脉冲阻尼器和浮漂的效用，重新计算清水注入盐水罐的蠕动泵流量数据便可，即可再次便捷、准确地营造变截面的密度分层，等待下一次实验。
[0073]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0074]
图1为本发明基于变截面水槽的线性密度分层营造装置的结构示意图；
[0075]
图2为本发明的型材框架的结构示意图；
[0076]
图3为本发明的变截面模型内部结构示意图；
[0077]
图4为本发明加热板的结构示意图；
[0078]
图5为本发明浮漂的结构示意图；
[0079]
图6为本发明的使用时浮漂放置位置示意图；
[0080]
图7为本发明控制系统的连接关系示意图；
[0081]
图8为本发明的变截面水槽线性密度分层效果演示图；
[0082]
图9为本发明第一蠕动泵设定流量随时间变化曲线图和水槽设定液面高度随时间变化曲线图；
[0083]
图10为本发明第一蠕动泵设定流量时间变化曲线得到时间序列的变流量设定数
据矩阵图。
[0084]
附图标记说明:
[0085]
1—变截面水槽，2—线性密度分层营造系统，3—水槽，4—支架，5—变截面模型，6—搅拌器，7—盐水水罐，8—清水水罐，9—第三蠕动泵，10—第二蠕动泵，11—第一蠕动泵，12—浮漂，14—蠕动泵脉冲阻尼器，15—凹槽模型，16—万向轮，17—防水绝缘密封圈，18—斜面侧加热板，19—中心加热板，20—防反光黑漆层，21—泡沫盒，22—聚氨酯多孔材料，23-1—微控制器，23-2—触摸式液晶显示屏，23-3—液位传感器，23-4—第一流量传感器，23-5—第二流量传感器，23-6—第三流量传感器，23-7—第一蠕动泵流量控制器，23-8—第二蠕动泵流量控制器，23-9—第三蠕动泵流量控制器，23-10—第一继电器，23-11—第二继电器，23-12—第三继电器，24—通信模块，25—计算机。
具体实施方式
[0086]
实施例1
[0087]
如图1～图7所示，本实施例的基于变截面水槽的线性密度分层营造装置，包括变截面水槽1和用于往变截面水槽1内注水并营造出线性密度分层的线性密度分层营造系统2；
[0088]
所述变截面水槽1包括支架4、承载在所述支架顶部的水槽3和设置在所述水槽3内底部的变截面模型5；
[0089]
所述线性密度分层营造系统2包括清水水罐8、盐水水罐7、浮漂12和控制系统，所述盐水水罐7的顶部入水口通过连接管道和设置在连接管道上的第一蠕动泵11与清水水罐8的底部出水口连接，所述盐水水罐7的顶部入水口通过连接管道和设置在连接管道上的第二蠕动泵10与盐水水罐7的底部接口连接，所述盐水水罐7上设置有搅拌器6，所述盐水水罐7的底部出水口通过连接管道以及均设置在连接管道上的第三蠕动泵9和蠕动泵脉冲阻尼器14与浮漂12连接，所述浮漂12放置在变截面水槽1内的变截面模型5上，所述第一蠕动泵11、第二蠕动泵10和第三蠕动泵9均与控制器系统连接。
[0090]
具体实施时，所述盐水水罐7的顶部入水口通过连接管道和设置在连接管道上的第二蠕动泵10与盐水水罐7的底部接口连接，能够保证盐水混合均匀。所述搅拌器6为电动搅拌器。蠕动泵脉冲阻尼器14的作用是大幅减缓管路脉动。
[0091]
本实施例中，所述支架4为型材框架支架，所述变截面模型5包括中部设置有凹槽的凹槽模型15和铺设在凹槽模型15的凹槽内的加热板。
[0092]
具体实施时，凹槽模型15由多块亚克力模型拼接而成，以便于拆卸存；所述水槽3底部先布置凹槽模型15，再将加热板铺设在凹槽模型15中部的凹槽内。凹槽模型15与铺设在其中部凹槽内表面的加热板完美契合，构成变截面水槽1的物理模型即变截面模型5。
[0093]
本实施例中，所述凹槽模型15的中部设置的凹槽包括中心位置的水平面和设置在水平面两侧的倾斜面，所述加热板包括斜面侧加热板18和中心加热板19，所述中心加热板19放置在所述水平面的中间位置处，所述斜面侧加热板18的数量为两块且分别放置在所述倾斜面上，位于所述斜面侧加热板18和中心加热板19之间的水平面上设置有亚克力板23。
[0094]
本实施例中，所述中心加热板19和斜面侧加热板18的形状均为带状长方形，所述中心加热板19和斜面侧加热板18的表面均喷涂有防反光黑漆层20，所述斜面侧加热板18和
中心加热板19与电线的连接处均设置有防水绝缘密封圈17。通过设置防水绝缘密封圈17，能够防止斜面侧加热板18和中心加热板19因漏电造成损坏。
[0095]
具体实施时，所述变截面水槽1可依据本发明的线性密度分层营造装置及方法的应用领域对水槽3内底部的变截面模型5进行变化，以便实现不同的实际应用；例如，变截面模型5选择为山谷城市通风领域的山谷城市模型；
[0096]
具体实施时，两块所述斜面侧加热板18沿中心加热板19左右对称布置。所述中心加热板19用于模拟城市热量，所述斜面侧加热板18用于模拟山坡侧热量，所述亚克力板23用于模拟热量较少的乡村区域。
[0097]
本实施例中，所述支架4的底部四脚均设置有万向轮16，所述水槽3为有机玻璃水槽，所述凹槽模型15由亚克力材料制成，所述斜面侧加热板18和中心加热板19均为铜质加热板，所述凹槽模型15的上表面均为磨砂黑色表面。
[0098]
有机玻璃水槽具有良好的透明度，非常有利于观察水箱3内部流动情况；铜质加热板的导热性能良好，有助于快速稳定地模拟城市和山坡热量的散发。铜质加热板的表面光滑，通过喷涂防反光黑漆层20，能够防止反光，降低拍摄时光源照射后影响拍摄效果；通过将凹槽模型15的上表面设置为磨砂黑色表面，也是防止反光，降低拍摄时光源照射后影响拍摄效果，更好地研究城市热岛环流。所述凹槽模型15由亚克力材料制成，能够减少加热板热量在其他方向的散失。
[0099]
本实施例中，所述的浮漂12由泡沫盒21和设置在泡沫盒21内的聚氨酯多孔材料22制成。
[0100]
所述浮漂12的作用是降低后续注水过程对前序盐水分层的扰动。聚氨酯多孔材料22的作用是让注入的盐水溶液均匀注入。
[0101]
实施例2
[0102]
本实施例的变截面水槽密度分层营造方法，包括以下步骤：
[0103]
步骤一、往清水水罐8和盐水水罐7内注入清水，并往盐水水罐7内注入盐；
[0104]
步骤二、启动第二蠕动泵10，将第二蠕动泵10的流量设置为定值，并启动设置在所述盐水水罐7上的搅拌器6搅拌时长t，使盐水水罐7中清水和盐充分溶解，配置成混合均匀的盐水；
[0105]
具体实施时，根据实际需求，将第二蠕动泵10的流量设置为所需大小的定值；盐为工业用盐；
[0106]
步骤三、将浮漂12放置在变截面模型5上，启动第三蠕动泵9，将第三蠕动泵9的流量设置为定值，使用盐水水罐7的初始浓度盐水填充变截面模型5和水槽底部的缝隙；
[0107]
具体实施时，根据实际需求，将第三蠕动泵9的流量设置为所需大小的定值；
[0108]
步骤四、启动第一蠕动泵11，控制系统按规律控制第一蠕动泵11的流量，将清水水罐8内的清水变流量注入盐水水罐7中，使盐水水罐7中的盐水密度按规律逐渐下降，同时继续启动第三蠕动泵9，将第三蠕动泵9的流量设置为定值，将盐水水罐7中密度按规律逐渐下降的盐水注入变截面水槽1中，在变截面水槽1中形成稳定的随高度增高密度逐渐变小的盐水线性密度分层；
[0109]
具体实施时，步骤四中保持第二蠕动泵10为固定流量正常运行的状态，该步骤目的同盐水水罐7上的搅拌器6一样，是为了使盐水水罐中溶液混合均匀；
[0110]
步骤五、待注水完成后，关闭第一蠕动泵11和第三蠕动泵9，通过变截面模型5进行线性密度分层相关研究。例如，进行城市热岛环流研究。
[0111]
本实施例中，所述变截面模型5包括中部设置有凹槽的凹槽模型15和铺设在凹槽模型15的凹槽内的加热板，所述凹槽模型15的中部设置的凹槽包括中心位置的水平面和设置在水平面两侧的倾斜面，所述加热板包括斜面侧加热板18和中心加热板19，所述中心加热板19放置在所述水平面的中间位置处，所述斜面侧加热板18的数量为两块且分别放置在所述倾斜面上，位于所述斜面侧加热板18和中心加热板19之间的水平面上设置有亚克力板23；
[0112]
步骤三中所述将浮漂12放置在变截面模型5上，是将浮漂12放置在中心加热板19的中心正上方；
[0113]
步骤三中所述使用盐水水罐7的初始浓度盐水填充变截面模型5和水槽底部的缝隙时，待初始浓度盐水水面填充至中心加热板19的高度时停止填充，关闭第三蠕动泵9；
[0114]
步骤五中所述通过变截面模型5进行线性密度分层相关研究时，启动中心加热板19和斜面侧加热板18加热，模拟热量；并在注入变截面水槽1中的盐水中布置均匀的荧光粒子，通过片光源照射变截面水槽1，可视化线性密度分层。
[0115]
变截面水槽线性密度分层效果演示图如图8所示。
[0116]
例如，进行城市热岛环流研究，中心加热板19加热用于模拟城市热量，斜面侧加热板18加热用于模山坡侧热量，在注入变截面水槽1中的盐水中布置均匀的荧光粒子，并通过片光源照射变截面水槽1，可视化城市热岛环流。
[0117]
本实施例中，步骤四中所述启动第一蠕动泵11，控制系统按规律控制第一蠕动泵11的流量，将清水水罐8内的清水变流量注入盐水水罐7中时，对第一蠕动泵11的流量控制方法为：
[0118]
步骤401、推导第一蠕动泵11的流量控制方程，具体过程为：
[0119]
步骤4011、假设混合后溶液的体积等于混合前两种溶液的体积之和，将在(0，t)时间内盐水水罐7中溶液质量的变化与流量之间的关系表示为：
[0120]vb
(0)ρb(0)-vb(t)ρb(t)＝∫
0t
qbρb(t)dt-∫
0t
qa(t)ρadt
ꢀꢀꢀ
(f1)
[0121]
将在(0，t)时间内盐水水罐7中溶液体积的变化与流量之间的关系表示为：
[0122]vb
(0)-vb(t)＝qbt-∫
0t
qa(t)dt
ꢀꢀꢀ
(f2)
[0123]
其中，vb(0)为初始时刻盐水水罐7内溶液的体积，vb(t)为t时刻盐水水罐7内溶液的体积，ρb(0)为初始时刻盐水水罐7内溶液的密度，ρb(t)为t时刻盐水水罐7内溶液的密度；qb为盐水水罐7的出口流量，为定值；qa(t)为t时刻清水水罐8的出口流量，ρa为清水水罐8中水的密度，为定值；
[0124]
步骤4012、结合公式(f1)和(f2)得到：
[0125][0126]
步骤4013、对公式(f3)左右两边同时求时间的导数，整理得到：
[0127][0128]
步骤4014、对公式(f4)左右两边求导，得到关于qa(t)的一阶微分方程：
[0129][0130]
步骤4015、将在(0，t)时间内水槽3中溶液体积的变化与流量之间的关系表示为：
[0131]
∫
0z(t)
s(z)dz＝∫
0t
qbdt
ꢀꢀꢀ
(f6)
[0132]
将在(0，t)时间内水槽3中溶液质量的变化与流量之间的关系表示为：
[0133]
∫
0z(t)
ρ(z(t))s(z)dz＝∫
0t
ρb(t)qbdt
ꢀꢀꢀ
(f7)
[0134]
其中，s(z)为水槽3水平截面积随高度的变化关系，ρ[z(t)]为水槽3内溶液密度随高度的变化关系，z(t)为t时刻水槽3内溶液的深度；
[0135]
具体实施时，s(z)和ρ[z(t)]只与线性密度分层营造装置及设计有关，因此均为已知条件；
[0136]
步骤4016、结合公式(f6)和(f7)得到：
[0137]
ρb(t)＝ρ[z(t)]
ꢀꢀ
(f8)
[0138]
由公式(f8)可知，当ρ[z(t)]确定之后，t时刻盐水水罐7内溶液的密度ρb(t)随之确定，在(0，t)时间内盐水水罐7内溶液的密度随时间的变化随之确定；
[0139]
步骤4017、令：
[0140][0141][0142]
此时，x(t)与y(t)均为已知函数，将其代入公式(f5)中，将公式(f5)转化为能够求解的一阶线性微分方程，为：
[0143]q′a(t) x(t)
·
qa(t) y(t)＝0
ꢀꢀ
(f11)
[0144]
将t＝0代入公式(f4)，得到qa(t)的初始条件为：
[0145][0146]
结合公式(f11)和(f12)，求解得到第一蠕动泵11的流量控制方程为：
[0147][0148]
根据公式f13可以看出，qa(t)的变化与vb(0)、ρ[z(t)]有关，ρ[z(t)]在给定线性
密度分层营造装置要营造的线性密度分层确定后即确定，为已知量；vb(0)也为已知量；因此，只要已知水槽3内溶液密度随高度的变化关系ρ[z(t)]，按照公式f13即可实现水槽3中线性密度分层的模拟；
[0149]
步骤402、控制系统根据第一蠕动泵11的流量控制方程控制第一蠕动泵11的流量，将清水水罐8内的清水变流量注入盐水水罐7中。
[0150]
本实施例中，所述控制系统包括微控制器23-1和与微控制器23-1相接的触摸式液晶显示屏23-2，所述微控制器23-1的输入端接有设置在水槽3内且用于对水槽3内的液位进行检测的液位传感器23-3，串联在第一蠕动泵11的连接管道上且用于对第一蠕动泵11的流量进行检测的第一流量传感器23-4，串联在第二蠕动泵10的连接管道上且用于对第二蠕动泵10的流量进行检测的第二流量传感器23-5，串联在第三蠕动泵9的连接管道上且用于对第三蠕动泵9的流量进行检测的第三流量传感器23-6；所述微控制器23-1的输出端接有第一蠕动泵流量控制器23-7、第二蠕动泵流量控制器23-8和第三蠕动泵流量控制器23-9，以及用于控制搅拌器6通断电的第一继电器23-10、用于控制斜面侧加热板18通断电的第二继电器23-11和用于控制中心加热板19通断电的第三继电器23-12；所述第一蠕动泵11与第一蠕动泵流量控制器23-7连接，所述第二蠕动泵10与第二蠕动泵流量控制器23-8连接，所述第三蠕动泵9与第三蠕动泵流量控制器23-9连接，所述第一继电器23-10串联在搅拌器6的供电回路中，所述第二继电器23-11串联在斜面侧加热板18的供电回路中，所述第三继电器23-12串联在中心加热板19的供电回路中；
[0151]
具体实施时，所述第一蠕动泵流量控制器23-7、第二蠕动泵流量控制器23-8和第三蠕动泵流量控制器23-9可以采用分别串联在第一蠕动泵11、第二蠕动泵10和第三蠕动泵9的连接管道上的流量调节阀；
[0152]
步骤402中所述控制系统根据第一蠕动泵11的流量控制方程控制第一蠕动泵11的流量，将清水水罐8内的清水变流量注入盐水水罐7中时，采用预先将通过自主学习且根据第一蠕动泵11的流量控制方程得到时间序列的变流量数据，将数据存储在微控制器23-1中，采用微控制器23-1通过第一蠕动泵流量控制器23-7控制第一蠕动泵11的方式实现；其中，通过自主学习且根据第一蠕动泵11的流量控制方程得到时间序列的变流量数据的具体过程为：
[0153]
步骤a1、将微控制器23-1通过通信模块24与计算机25连接；
[0154]
步骤a2、在计算机25的matlab软件中，建立基于变截面水槽的线性密度分层营造装置的仿真系统，输入设计的s(z)和ρ[z(t)]，根据第一蠕动泵11的流量控制方程进行计算，并进行曲线拟合，得到第一蠕动泵11的设定流量时间变化曲线和水槽3设定液面高度随时间变化曲线，如图9所示，再根据第一蠕动泵11的设定流量时间变化曲线得到时间序列的变流量设定数据，如图10所示；
[0155]
步骤a3、计算机25将时间序列的变流量设定数据通过通信模块24传输给微控制器23-1，微控制器23-1根据时间序列的变流量设定数据，通过第一蠕动泵流量控制器23-7控制第一蠕动泵11，且在控制过程中，通过第一流量传感器23-4对第一蠕动泵11的流量进行实时检测，通过液位传感器23-3对水槽3内的液位进行实时检测，且将检测到的流量数据和液位数据通过通信模块24传输给计算机25；
[0156]
步骤a4、计算机25在matlab软件中，根据检测到的流量数据，拟合得到第一蠕动泵
11的检测流量时间变化曲线，根据检测到的液位数据，拟合得到水槽3检测液面高度随时间变化曲线，再根据第一蠕动泵11的检测流量时间变化曲线得到时间序列的变流量检测数据；
[0157]
步骤a5、计算机25将时间序列的变流量设定数据与时间序列的变流量检测数据在各个时间点处，对流量设定数据和流量检测数据进行平均，得到时间序列的变流量数据。
[0158]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。