剪切流传感器与水下滑翔机集成应用研究

发布时间：2019-01-12 14:50

【摘要】：海洋湍流对研究海洋中微观和宏观运动有重要意义,剪切流传感器是目前测量海洋湍流的最有效工具。作为一种新型传感器搭载平台,水下滑翔机的出现为海洋湍流测量提供了新的契机。由于水下滑翔机具有能耗低、续航能力强等优点,将剪切流传感器与水下滑翔机进行集成应用,可使得长时序、大范围的湍流测量成为可能。本文针对剪切流传感器与水下滑翔机的有效集成问题,进行如下研究工作。首先,考虑到剪切流传感器工作要求和滑翔机运动特点,对测量系统进行系统集成条件分析和整体设计。其次,分析搭载方式和位置对湍流测量的影响,确定湍流测量系统在滑翔机上的最佳搭载方式和位置,并进行基于湍流测量的水下滑翔机运动特性分析,同时分析了运动控制量对运动状态参数的影响。同时考虑到测量平台的振动会影响测量结果的准确性,使用相干函数分析振动信号,并采用频响函数进行滤波,提高了测量系统的数据准确度。最后通过水池实验和海域实验验证搭载剪切流传感器后滑翔机的运动性能及湍流测量的准确性。本文主要研究成果包括:对湍流测量系统进行系统集成条件分析及整体设计。一方面,为了满足剪切流传感器的正常工作要求,分析了测量系统集成过程中对水下滑翔机的约束,主要包括滑翔速度、共振频率、攻角等。另一方面,对湍流测量系统的关键电子元器件进行选型分析以及对外压壳体进行设计。使用计算流体力学方法分析不同的安装方式和安装位置对湍流测量的影响,确定安装位置,并通过经济性和稳定性指标选择较好的安装方式。针对搭载有湍流测量系统的水下滑翔机,基于动量定理和动量矩定理进行动力学建模,获得水下滑翔机在纵垂面内典型锯齿运动的动力学方程,并进行运动仿真,获得控制量与状态参数的关系。研究了测量系统数据处理方法,提高了数据准确度。运用相干函数分析振动信号与湍流信号的关系,评估振动信号在不同频段对湍流信号的影响程度,并通过频响函数去除振动信号,从而获得准确的湍流数据。将原始湍流信号和去除振动干扰后的湍流信号波数谱分别与Nasmyth谱对比,评定该分析方法的准确性。研制出湍流测量系统样机,并将其与水下滑翔机集成,进行水池实验和海域实验,验证运动模型和使用滑翔机测量湍动能耗散率的准确性。
[Abstract]:Ocean turbulence is of great significance to the study of microscopic and macroscopic motion in the ocean. The shear flow sensor is the most effective tool for measuring ocean turbulence at present. As a new sensor platform, underwater glider provides a new opportunity for ocean turbulence measurement. Because the underwater glider has the advantages of low energy consumption and strong endurance, the integrated application of shear flow sensor and underwater glider can make it possible to measure turbulence in a long time series and a wide range. In this paper, the effective integration of shear flow sensor and underwater glider is studied as follows. Firstly, considering the requirement of shear flow sensor and the characteristics of glider motion, the system integration condition analysis and overall design of the measuring system are carried out. Secondly, the influence of loading mode and position on turbulence measurement is analyzed, and the optimal loading mode and position of turbulence measurement system on glider are determined, and the motion characteristics of underwater glider based on turbulence measurement are analyzed. At the same time, the effect of motion control on motion state parameters is analyzed. Considering that the vibration of the measuring platform will affect the accuracy of the measurement results, the coherence function is used to analyze the vibration signal and the frequency response function is used to filter the vibration signal, which improves the data accuracy of the measurement system. Finally, the kinematic performance of glider and the accuracy of turbulence measurement are verified by experiments in water pool and sea area. The main research results of this paper are as follows: system integration condition analysis and overall design for turbulence measurement system. On the one hand, in order to meet the normal working requirements of the shear flow sensor, the constraints on the underwater glider during the integrated measurement system are analyzed, including gliding velocity, resonance frequency, angle of attack and so on. On the other hand, the key electronic components of turbulence measurement system are selected and the external pressure shell is designed. The influence of different installation modes and installation positions on turbulence measurement was analyzed by using computational fluid dynamics (CFD) method, and the installation location was determined, and a better installation mode was selected through economic and stability indexes. Based on momentum theorem and momentum theorem, the dynamic equations of typical sawtooth motion of underwater glider in vertical and vertical plane are obtained, and the kinematic simulation is carried out for underwater glider with turbulence measurement system. The relation between the control quantity and the state parameter is obtained. The data processing method of the measurement system is studied, and the accuracy of the data is improved. The relationship between vibration signal and turbulence signal is analyzed by using coherence function, and the influence of vibration signal on turbulence signal is evaluated in different frequency bands, and the vibration signal is removed by frequency response function to obtain accurate turbulence data. The wave number spectrum of the original turbulence signal and the turbulent signal without vibration interference is compared with the Nasmyth spectrum, and the accuracy of the method is evaluated. A prototype turbulence measurement system was developed and integrated with an underwater glider to test the accuracy of the motion model and the measurement of turbulent kinetic energy dissipation rate.
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.941;U665.2

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本文编号：2407899