[发明专利]一种人工上升流羽流浓度的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，尤其涉及一种人工上升流羽流浓度的控制方法。

技术背景

200米以下的深层海水富含营养盐，洁净不含致病菌。通过过去几年的研究我们已经可以提升深层海水，并把它扩散在透光层海水中来提高浮游植物产量，进而增加开放海域海水养殖的产量。最近几年各种抽取深层海水的机械装置的研究引起了大家的兴趣，其中永恒盐泉，波浪力和气力上升流装置的水动力性能受到了更多的关注。然而，制约人工上升流发展的一个障碍是难以保证稀释后的羽流浓度为理想浓度。此外，过高的密度会使得羽流无法被密度界面即温跃层捕获。

当被提升的深层海水从管口喷出后，它将经历三个湍流混合过程。第一阶段，深层海水上升后由于负浮力下落，形成羽流。羽流进入周围海水，并与周围海水混合。混合的第一个过程将稀释羽流带到一个过渡界面上，也就是海水中的温跃层。第二阶段，羽流的轨迹变得平缓，由于温跃层的阻碍，羽流水平扩散。第三阶段为同时受到波和浪作用的动态被动湍流扩散。羽流的稀释度取决于一系列水动力因数，其中一些因素可以在第一和第二阶段中得到控制，比如管口深度、流量、管径等。在文章《Nutrient transport from an artificial upwelling of deep sea water》中提到的永恒盐泉驱动上升流羽流的平均速度模型，以及在《Flow prediction in upwelling deep seawater‐the perpetual salt fountain》中模拟的来自涌升管的营养盐羽流运输机制，发现来自6m管径的涌升管羽流稀释度被保持在0.1％。因此，根据上述文章中的结果，羽流中的营养盐浓度太低无法满足海洋牧场的需要。

可以说至今还没有对上升流羽流浓度控制的系统性研究，当然也没有任何统一的控制标准。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种人工上升流羽流浓度的控制方法，该控制方法简单可靠，操作方便，在海洋和湖泊中都可以应用。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种人工上升流羽流浓度的控制方法，包括以下步骤：

(1)通过测量得到密度界面以上海水密度ρ₀、密度界面以下海水密度ρ₁、深层海水密度ρ_d、周围海水横向流速u_∞、羽流初速度u₀和涌升管半径即羽流初始半径r₀等参数；

根据混合液体密度公式(1)和羽流被密度界面保持住必须满足的条件(2)，得到羽流浓度C(x)必须满足的条件式(3)，

其中：ρ_m(x)为混合液体密度，V_d(x)为羽流液体体积，V₀(x)为密度界面以上海水中与羽流混合的部分海水的液体体积，V_d(x)+V₀(x)为羽流与周围海水混合后的液体总体积，

ρ_m(x)≤ρ₁(2)

当羽流浓度C(x)在能被密度界面保持住的前提下，羽流浓度C(x)越大越有利于藻类生长，所以，根据公式(3)，取羽流理想浓度C_optimal为：

(2)由羽流浓度公式(5)得到理想羽流浓度公式(6)，然后联立式(4)和式(6)，获得羽流与密度界面的理想碰撞点x_optimal处的理想半径r_optimal(x_optimal)如式(7)：

其中：ζ＝u₀/u_∞；

(3)双层流的拉格朗日公式为：

其中，β为经验扩散系数，在双层横向流中的负浮力羽流中，我们取β≈0.17，r(x)为为羽流稀释后的半径，x为羽流与密度界面的碰撞点；

将由步骤(2)得到的r_optimal(x_optimal)代入双层流的拉格朗日公式(8)中的r(x)，可以得到羽流与密度界面的理想碰撞点x_optimal，即：

(4)双层流中的羽流中心线到海平面的距离的表达式为：