ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕЛКОМАСШТАБНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МОРЯ
MEASUREMENT SYSTEM FOR RESEARCH OF SMALL-SCALE TURBULENCE IN NEAR-SURFACE LAYER OF SEA

Изобретение относится к океанографической технике, а именно - к морским измерительным системам, предназначенным для исследования мелкомасштабной турбулентности в приповерхностном слое моря и имеющим кабельное соединение измерительной аппаратуры с морской стационарной платформой.
Для расчета потоков тепла, соли и других растворенных веществ в водном столбе моря необходимо учитывать большое количество параметров, влияющих на интенсивность вертикального обмена. Оценка этих потоков для различных внешних условий среды является одной из важнейших задач в гидрофизике.
При расчете турбулентных потоков, прежде всего, необходимы измерения пульсационных величин, как скалярных (температура, электропроводность), так и векторных (скорость течения). Наибольшую сложность представляют измерения компонентов пульсаций скорости, значения которых могут меняться в больших пределах: от нескольких метров в секунду в приповерхностном волновом слое до нескольких миллиметров в секунду - в более глубоких слоях. Измерения мелкомасштабных флуктуаций гидрофизических величин в приповерхностном слое моря выдвигают особые требования не только к быстродействию и чувствительности датчиков, но и к методике и самой конструкции измерительной системы, чтобы она позволяла контролировать нежелательные смещения и вибрацию датчиков и устранять эти явления.
Для волнового приповерхностного слоя необходимо располагать датчики выше корпуса прибора, чтобы исключить влияние измерителя на турбулентные потоки, которые в данном случае направлены вниз. При этом самому прибору необходимо обеспечить возможность стабилизации при последующих перемещениях и остановках для измерения на различных горизонтах, а также для установки датчиков максимально близко к поверхности (не выше горизонта расположения впадин поверхностных волн) без выхода датчиков в атмосферу при изменении волновой обстановки.
Известна система [1] для исследования турбулентной структуры в приповерхностном слое моря, включающая судно-катамаран "F.G. Creed" общей длиной 20 м и шириной 10 м на двух понтонах диаметром 2 м каждый, оснащенное большим комплексом аппаратуры, с установленной на носу рамой с измерителями, жестко закрепленными на раме на постоянных горизонтах для проведения измерений в приповерхностном слое моря. Сходными с признаками заявленного изобретения являются такие признаки аналога: зафиксированный на заданном горизонте в приповерхностном слое моря приборный контейнер с датчиками, подключенными к измерительной аппаратуре.
Недостатком является то, что эта система сложна, требует обеспечения большим количеством дополнительной навигационной аппаратуры, что влечет за собой увеличение финансовых затрат, и не обеспечивает возможности оперативного получения данных измерений пульсаций скорости, температуры и электропроводимости приповерхностного слоя на малых глубинах вблизи горизонта расположения впадин поверхностных волн. При изменении волновой обстановки нет возможности смены горизонта измерителя с последующей стабилизацией его положения. Это снижает эффективность и надежность контроля параметров приповерхностного слоя моря.
Известна система [2] для измерения компонентов скорости, вызванных естественной генерацией ветровых волн, включающая закрепленную на дне озера Онтарио на глубине 12,5 м неподвижную вышку, между сваями которой на вертикальной штанге эллипсоидального сечения, главная ось которой выровнена с вероятным волновым направлением, жестко закреплены измерители, связанные с аппаратурой, установленной на берегу. Сходными с признаками заявленного изобретения являются такие признаки аналога: установленные на стационарной вышке датчики, зафиксированные на заданном горизонте в приповерхностном слое моря и подключенные к измерительной аппаратуре.
Недостатком этой системы является то, что она не предусматривает мобильной переустановки датчиков на разные горизонты, поэтому недостаточно эффективна и надежна при исследовании морского приповерхностного слоя, так как не позволяет в условиях морской меняющейся волновой обстановки выполнить обязательное требование расположения датчиков не выше горизонта впадин волн.
Известна измерительная система [3] для исследования турбулентных пульсаций скорости и температуры воды в приповерхностном слое моря, состоящая из установленной на дно на глубине около 12 м вышки, оснащенной комплексом аппаратуры для проведения измерений и соединенной с береговой станцией кабелем длиной 3 км. Измерения скорости течения, пульсаций скорости течения и температуры в исследуемом слое производились на трех постоянных горизонтах (1,7 м, 2,3 м, 3,2 м) неподвижно закрепленными на несущей раме измерителями, разнесенными друг от друга по горизонтали на расстояния от 1,5 до 3 м. Сходными с признаками заявленного изобретения являются следующие признаки аналога: стационарная платформа, на которой установлен зафиксированный на заданном горизонте в приповерхностном слое моря приборный контейнер с датчиками, которые подключены к измерительной аппаратуре.
Этот аналог по совокупности признаков наиболее близко подходит к заявленному изобретению, поэтому он выбран в качестве прототипа.
Недостатками прототипа является следующее: система сложна в сборке, установка измерителей на горизонтах производится с помощью водолазных работ, функционирование системы требует дополнительного приборного и финансового обеспечения. Кроме того, в системе не предусмотрены возможности получения оперативных данных измерений в приповерхностном слое на различных горизонтах (начиная с минимально возможной глубины измерений, зависящей от высоты волн) из-за невозможности перемещения и установки измерителя на требуемый горизонт с последующей стабилизацией положения на новом горизонте. Все это обусловливает недостаточную эффективность и надежность исследования заданного слоя моря.
В основу изобретения поставлена задача создания измерительной системы для исследования мелкомасштабной турбулентности в приповерхностном слое моря, в которой за счет признаков, характеризующих особенности постановки измерительных датчиков в приповерхностном слое, обеспечивается новое техническое свойство - стабилизация датчиков в пространстве на заданном горизонте с возможностью их последующего перемещения и стабильной установки на любых других заданных горизонтах, а также снижение трудозатрат при изготовлении системы и возможность ее эксплуатации без применения водолазных работ. При этом измерительный прибор отнесен от стационарной платформы - тем самым уменьшается влияние опор на область измерения, то есть, обеспечивается получение данных в естественной среде. Измерения проводятся со стороны открытого моря в соответствующем диапазоне направлений течения.
Указанное новое свойство обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение эффективности и надежности исследования заданного приповерхностного слоя моря.
Поставленная задача решается тем, что в измерительной системе для исследования мелкомасштабной турбулентности в приповерхностном слое моря, содержащей установленный на стационарной платформе и зафиксированный на заданном горизонте в приповерхностном слое моря приборный контейнер с датчиками, которые подключены к измерительной аппаратуре, новым является то, что приборный контейнер установлен с возможностью фиксирования на любых заданных горизонтах в приповерхностном слое моря, при этом он снабжен средством контроля своего положения и закреплен вертикально в кардане силовой рамы, выполненной в виде горизонтально расположенного кольца, к которому симметрично по окружности прикреплены три гибкие связи, одной из которых является кабель-трос, который подключен к датчикам и средству контроля положения приборного контейнера и пропущен через блок, закрепленный на конце стрелы, которая закреплена другим своим концом на нижней палубе платформы с возможностью подъема вверх в вертикальной плоскости относительно места закрепления, далее кабель-трос пропущен через блок, закрепленный на нижней палубе платформы на линии оси стрелы, и через лебедку с токосъемником подключен к установленной на платформе измерительной аппаратуре, каждая из двух других гибких связей пропущена через один из блоков, закрепленных на нижней палубе платформы симметрично относительно линии оси стрелы, причем эти два блока с блоком, закрепленным на конце стрелы, в плане являются вершинами равностороннего треугольника, далее каждая из двух упомянутых гибких связей соединена с одной из двух других лебедок, установленных на платформе, при этом к нижней части приборного контейнера прикреплен на стропе заданной длины обтекаемый груз заданного веса.
Изобретение поясняется с помощью чертежа, на котором в изометрии представлен конкретный пример исполнения заявленной измерительной системы.
Измерительная система содержит приборный контейнер 1, в верхней части которого установлены датчики (на чертеже не обозначены), измеряющие, например, три компоненты пульсации вектора скорости течения, температуру и электропроводность воды, пульсаций температуры и электропроводности, гидростатическое давление. Приборный контейнер 1 снабжен средством контроля своего положения в пространстве (на чертеже не показано), которое в данном случае выполнено в виде датчиков азимута, крена и дифферента, сконструированных на основе акселерометров.
Приборный контейнер 1 закреплен вертикально в кардане 2 силовой рамы 3, выполненной в виде горизонтально расположенного кольца, к которому симметрично, то есть в точках, расположенных через 120° по окружности, прикреплены три равно натянутые гибкие силовые связи 4, 5, 6. Одной из этих гибких связей является кабель-трос 4, подключенный через гермоввод к установленным в приборном контейнере 1 датчикам и средству контроля положения контейнера. В качестве двух других гибких силовых связей, 5 и 6, использованы, например, тонкие стальные тросы.
К нижней части приборного контейнера 1 на стропе 7 заданной длины прикреплен обтекаемый груз 8 заданного веса. Длина стропа 7 должна обеспечить расположение груза 8 ниже области активного возмущающего действия волн - эта длина должна быть больше длины волны ожидаемого максимального волнения. Вес в воде груза 8 определяют расчетным путем [4] в зависимости от ожидаемых максимальных значений скорости течения и волнения, на весь период проведения измерений, и от конструктивных размеров элементов системы. Например, для параметров: ожидаемое максимальное значение скорости течения 1 м/с; высота наибольшей волны 2 м; период волн 5 с; диаметр и длина приборного контейнера соответственно 50 мм, 800 мм; силовая рама из прутка сечением 15 мм окружностью 800 мм; гибкие связи диаметром 6 мм длиной 5 м,- вес груза 8 в воздухе равен 100 кг, что позволяет использовать маломощные ручные лебедки для спуска-подъема элементов системы. Выполнение груза 8 обтекаемым, например горизонтально обтекаемым со стабилизатором, позволяет уменьшить влияние течений неволнового характера на приборный контейнер 1.
Постановка приборного контейнера 1 на заданном горизонте обеспечивается стабилизирующей системой, которая выполнена следующим образом.
На морской стационарной научно-исследовательской платформе 9, на ее нижней палубе 10, закреплена стрела 11 с возможностью ее подъема вверх в вертикальной плоскости относительно места закрепления. Преимущественно стрела 11 установлена горизонтально (относительно горизонтально расположенной платформы) и так, что ось стрелы перпендикулярна краю нижней палубы 10. На выступающем конце стрелы 11 закреплен блок 12, через который пропущен кабель-трос 4. Далее кабель-трос пропущен через блок 13, который закреплен на нижней палубе 10 на линии оси стрелы 11, и через установленную на верхней палубе платформы лебедку с токосъемником 14 подключен к бортовой аппаратуре и компьютеру è лаборатории, оборудованной на платформе.
Каждая из двух других гибких связей, тросы 5 и 6, пропущены через один из двух блоков, соответственно, 15 и 16, которые закреплены на нижней палубе 10 симметрично относительно линии оси стрелы 11. Причем блоки 15 и 16 закреплены так, что совместно с блоком 12, закрепленным на выступающем конце стрелы 11, они в плане, в данном случае в горизонтальной плоскости, являются вершинами равностороннего треугольника. В данном примере ось стрелы 11 является высотой этого треугольника. Натяжение стропа 7 и натяжение в радиальных направлениях гибких связей 4-6 обеспечивают положение приборного контейнера 1 на вертикали, проходящей через центр этого равностороннего треугольника. Далее гибкие связи 5 и 6 соединены с установленными на верхней палубе платформы лебедками, соответственно, 17 и 18.
Система снабжена и другими элементами, традиционно используемыми в гидрофизическом оборудовании (на чертеже не показаны или не обозначены): грузовой лебедкой, стрелами к лебедкам, обводными блоками кран-балок, такелажной и тросовой оснастками и т.п.
Заявленное устройство обеспечивает установку измерительных датчиков на заданный горизонт в приповерхностном слое моря, контроль положения датчиков в пространстве, достижение требуемого положения датчиков и надежную стабилизацию достигнутого требуемого положения, а также обеспечивает мобильное перемещение датчиков и последовательную их установку на любые другие заданные
горизонты приповерхностного слоя моря с обеспечением контролируемой стабилизации требуемого положения датчиков в пространстве.
Методику постановки измерительной системы и измерение мелкомасштабных флуктуаций гидрофизических величин приповерхностного слоя моря осуществляют следующим образом.
Предварительно закрепляют приборный контейнер 1 (с установленными датчиками и средством контроля положения контейнера) вертикально в кардане 2 его несущей рамы 3. Стрела 11 на нижней палубе 10 научно-исследовательской платформы 9 поднята вверх. Кабель-трос 4 с верней палубы платформы последовательно пропускают через лебедку с токосъемником 14, блок 13, блок 12 на конце стрелы 11, и вытравливают с конца стрелы. Силовую линию кабель-троса 4 крепят к раме 3, а его электрическую линию через герметичный ввод подключают к приборному контейнеру 1 - к измерительным датчикам и средству контроля положения контейнера. Другой конец кабеля 4 подключают к бортовой измерительной аппаратуре.
Две другие гибкие связи, тросы 5 и 6, от лебедок 17 и 18 пропускают соответственно через блоки 15 и 16 и крепят к силовой раме 3, причем так, чтобы точки крепления этих гибких связей совместно с точкой крепления первой гибкой связи 4 (кабель-троса), были расположены симметрично по кольцу рамы 3 - через 120° по окружности.
К нижней части приборного контейнера 1 через тросовую оснастку крепят строп 7 с грузом 8, к которому крепят оттяжку из капронового фала в виде дупли-ня.
На три гибкие связи 4, 5, 6 лебедками 14, 17, 18 дают нагрузку, поднимая на стреле 11 приборный контейнер 1, и выводят груз 8 за пределы нижней палубы 10. Затем опускают на гибких связях груз 8 в воду, и стрелу 11 медленно опускают с помощью собственной грузовой лебедки до рабочего положения. При этом груз 8 отсоединяют от дуплиня, а гибкие связи 4-6 поочередно вытравливают, выводя приборный контейнер 1 на расчетный горизонт.
Лебедками 14, 17, 18 обеспечивают равное радиальное натяжение всех трех гибких связей 4-6. В месте соединения каждой из трех гибких связей с рамой 3 сила натяжения раскладывается на две силы [5]: первая направлена вниз параллельно стропу 7, а вторая перпендикулярна первой, направлена в сторону подвеса гибкой связи на соответствующем блоке, из числа 12, 15, 16, и стремится передвинуть силовую раму 3 с прибором 1 к месту подвеса этой гибкой связи на этом блоке. Три равные растягивающие силы, действующие в радиальном направлении на три гибкие связи, закрепленные на силовой раме 3 на равном расстоянии друг от друга (через 120° по окружности рамы), обеспечивают стационарное положение прибора i в кардане 2 силовой рамы.
Натяжение стропа 7 под влиянием груза 8 при равенстве длин отрезков гибких связей 4, 5, 6 от места их закрепления на силовой раме 3 до соответствующих блоков 12, 15, 16 обеспечивает горизонтальное положение силовой рамы 3 и расположение приборного контейнера 1 на вертикали, проходящей через центр равностороннего треугольника, образованного блоками 12, 15, 16.
Требуемое вертикальное положение приборного контейнера 1 и величина его заглубления контролируется средством контроля положения контейнера, и соответствующая информация поступает в лабораторию на борту платформы.
Датчики измеряют гидрофизические параметры на заданном горизонте приповерхностного слоя моря, и через кабель-трос 4 данные поступают в лабораторию.
Система позволяет легко переустанавливать комплекс измерительных датчиков на любой другой заданный горизонт. Например, чтобы опустить датчики ниже, поочередно или одновременно увеличивают длину гибких связей 4-6 на равную величину, уменьшая лебедками 14, 17, 18 нагрузки на эти гибкие связи, и силовая рама 3, несущая приборный контейнер 1 с измерительными датчиками, перемещается по вертикали вниз, выводя датчики на очередной расчетный горизонт, что контролируется средством контроля положения приборного контейнера.
Система предотвращает вибрацию датчиков, жестко фиксирует заданное положение измерительного комплекса в пространстве и обеспечивает эту фиксацию на любых других заданных горизонтах.
Использованные источники информации:
1. Drennan W.M., Donelan М.А., Terray ЕЛ., Katsaros К.В. Oceanic turbulence dissipation measurements in S WADE // J. Physical Oceanography, 1996. V. 26. P. 808-815.
2. Gerbi G.P., Trowbridge J.H., Edson J.B, Pluedmann A.J., Terray E.A., Fredericks J.J. Measurements of momentum and heat transfer across the air-sea interface // J. Phys. Oceanogr., - 2008. V. 38, P. 1054 - 1072.
3. Terray E.A., Donelan MA., Agrawal Y.C., Drennan W.M., Kahma K.K., Williams III A.G., Hwang PA. and Kitaigorbdskii S.A. Estimates of kinetic energy dissipation under breaking waves// J. Phys. Oceanogr., - 1996. - 26, № 5. - P. 792 - 807.
4. Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Гидро-метеоиздат, Ленинград, 1977, с. 476.
5. Справочник машиностроителя в шести томах. Издательство Машиностроение, Москва, 1964, т. 1, с. 362.