[发明专利]一种人工上升流羽流浓度的控制方法

摘要

本发明公开了一种人工上升流羽流浓度的控制方法，可应用于海洋和湖泊领域。羽流浓度太小不能提供藻类生长所需的营养；羽流浓度太大不能被密度界面保持住而落到密度界面以下，使得其中的营养无法被藻类所利用；本发明的控制方法简单可靠，操作方便，可容易得到涌升管布放的理想深度，从而保证人工上升流羽流浓度满足藻类生长需求。

主权项

一种人工上升流羽流浓度的控制方法，其特征在于，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ρd、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)，ρm(x)=ρd·Vd(x)+ρ0·V0(x)Vd(x)+V0(x)=ρd·C(x)+ρ0·(1-C(x))---(1)]]>其中：ρm(x)为混合液体密度，Vd(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，Vd(x)+V0(x)为羽流与周围海水混合后的液体总体积，ρm(x)≤ρ1   (2)C(x)≤ρ1-ρ0ρd-ρ0---(3)]]>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Coptimal为：Coptimal=ρ1-ρ0ρd-ρ0---(4)]]>(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xoptimal处的理想半径roptimal(xoptimal)如式(7)：C(x)=u0r02u∞r(x)2---(5)]]>Coptimal=u0r02u∞roptimal(xoptimal)2---(6)]]>roptimal(xoptimal)=(ζr02ρd-ρ0ρ1-ρ0)1/2---(7)]]>其中：ζ＝u0/u∞；(3)双层流的拉格朗日公式为：r(x)=((r0+1.6βζ1/3M03/4F0-1/2)2+((4β3π)1/2M03/4F0-1/2)2(xF0u∞M0-1)3/2)12---(8)]]>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roptimal(xoptimal)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xoptimal，即：xoptimal=u∞M0F0(ζr02ρd-ρ0ρ1-ρ0-(r0+1.6βζ1/3M03/4F0-1/2)2((4β3π)1/2M03/4F0-1/2)2)2/3+u∞M0F0---(9)]]>(4)双层流中的羽流中心线到海平面的距离的表达式为：z(x)=z(0)-3.2ζ1/3M03/4F0-1/2-{(r0β+1.6ζ13M03/4F0-1/2)2+((43βπ)1/2M03/4F0-1/2)2(xF0u∞M0-1)3/2}1/2-r0β---(10)]]>其中：z(x)为羽流中心线到海平面的距离；z(0)为羽流中心线初始位置到海平面的距离即涌升管管口到海平面的距离；将羽流与密度界面的理想碰撞点xoptimal代入双层流中的羽流中心线到海平面的距离的表达式(10)中的x后，可得到涌升管管口到海平面的理想距离zoptimal为：zoptimal=H0+3.2ζ1/3M03/4F0-1/2+r0β-{(r0β+1.6ζ13M03/4F0-1/2)2+((43βπ)1/2M03/4F0-1/2)2(xoptimalF0u∞M0-1)3/2}1/2---(11)]]>其中：H0＝z(xoptimal)，H0为密度界面与海平面的距离；(5)通过步骤(1)‐(4)可得到涌升管管口到海平面的理想距离zoptimal，将涌升管设置在理想深度zoptimal处，即可实现人工上升流羽流浓度的控制。