基于ANSYS和FLUENT的海底沉积物原位保真采样系统性能分析
发布时间：2021-05-26 09:48
海底沉积物采样是海洋环境与资源调查的基本手段之一,采样的可靠性在很大程度上依赖于采集样品的保真度,这对海底采样设备提出了很高的性能要求。针对目前国内外海底沉积物采样器存在的不足之处,本文提出了一种海底沉积物原位保真采样系统的设计方案,并利用ANSYS和FLUENT工程分析软件,对采样系统的贯入采样特性、海流冲刷作用下保温保压性能和水动力性能进行了深入研究,获得了一系列海底沉积物采样系统的优化设计参数,对高性能海底沉积物保真采样系统的设计具有重要的参考价值。本文的具体研究内容如下:1.基于对海底沉积物工程地质特性的了解,依据球形孔扩张理论,建立了采样器贯入采样力学模型,分析了采样过程中影响采集样品状态的因素,推导了采样器贯入深度及阻力计算公式,为高保真采样系统设计提供了理论依据。2.依据能量守恒和瞬态换热理论,采用ANSYS10.0软件,构建了采样器保真装置保温效果的有限元模型,并进行了温度场的数值计算,揭示了采样器保真机构和样品的温度分布情况,据此得出了三种能满足保温指标的样品筒保温方法;在仿真和实验分析保温效果影响因素的基础上,优化分析了样品筒保温层的相关参数,给出了满足设计指标的保...
【文章来源】：中国海洋大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题背景与研究意义
1.2 海底沉积物采样器的研究现状及存在问题
1.2.1 海底沉积物采样器国内外的研究现状
1.2.2 存在问题小结
1.3 主要研究内容
2 海底保真采样器贯入特性研究
2.1 海底沉积物的力学、物理性质
2.1.1 海底沉积物的分类
2.1.2 海底表层沉积物特性
2.1.3 海底浅层沉积物的特性
2.2 海底沉积物贯入特性机理研究
2.2.1 贯入采样过程产生“桩效应”的机理分析
2.2.2 重力冲击式采样器配重的确定
2.2.3 采样器自由抛落高度的确定
2.2.4 采样倾斜角的确定
2.2.5 采样器抛落末速度的确定
2.3 贯入采样特性模型研究
2.4 采样器刀头设计准则
2.5 本章小结
3 海底沉积物保真采样器结构系统研究
3.1 采样器对压力和温度的要求分析
3.2 海底采样器的设计指标与作业环境
3.3 海底采样器结构方案设计和工作原理
3.3.1 海底采样器的功能分析
3.3.2 海底采样器结构方案设计
3.3.3 采样器工作原理
3.4 采样器保真采样关键技术
3.4.1 基于行程触发原理的样品转移技术
3.4.2 保真取样分用技术
3.4.3 自动密封技术
3.4.4 贯入采样过程的防倾斜技术
3.4.5 去污清理技术
3.4.6 缆绳匹配
3.5 本章小结
4 海底保真采样器保温保压性能分析
4.1 有限元理论与方法
4.2 采样器保温性能分析
4.2.1 热传导方程和单值性条件
4.2.2 有限元保温模型
4.2.3 采样器保温方法
4.2.4 计算结果及分析
4.2.5 采样器保温性能测试与仿真对比
4.3 采样器保压性能分析
4.3.1 保真结构变形量
4.3.2 样品筒的数学模型
4.4 本章小结
5 采样器流场数值模拟的基本理论
5.1 基本控制方程
5.1.1 粘性流体基本方程
5.1.2 本构方程
5.1.3 纳维-斯托克斯方程
5.1.4 雷诺平均N-S方程(RANS方程)
5.2 数值离散方法
5.2.1 有限体积法
5.2.2 方程离散格式
5.3 流场计算方法
5.3.1 计算网格
5.3.2 SIMPLE算法
5.4 湍流模型
5.4.1 标准κ-ε模型
5.4.2 RNG κ-ε模型
5.4.3 Realizable κ-ε模型
5.5 边界条件与初始条件
5.5.1 边界条件
5.5.2 初始条件
5.6 本章小结
6 海底沉积物采样器的水动力性能研究
6.1 物体绕流阻力计算实例
6.1.1 圆柱绕流
6.1.2 计算模型
6.1.3 计算结果及分析
6.2 网格模型和网格尺寸对采样器的阻力影响
6.2.1 计算域与数值方法
6.2.2 计算结果及分析
6.3 不同雷诺数下采样器水动力分析
6.3.1 计算条件
6.3.2 计算结果及分析
6.4 不同攻角下采样器水动力性能分析
6.4.1 计算模型
6.4.2 计算结果及分析
6.5 不同采样地质状态对采样器的阻力影响
6.5.1 牛顿流体和非牛顿流体
6.5.2 计算模型
6.5.3 计算结果分析
6.6 本章小结
7 全文总结和展望
参考文献
致谢
个人简历
发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]鱼雷雷体阻力与升力系数数值计算与校验[J]. 高孔军,孙炯,李雄飞. 计算机与数字工程. 2008(05)
[2]FLUENT及其在飞机绕流流场并行计算中的应用[J]. 谢江,毛国勇,张武. 计算机工程与应用. 2007(28)
[3]-湍流模型及其在FLUENT软件中的应用[J]. 熊莉芳,林源,李世武. 工业加热. 2007(04)
[4]海底沉积物取样的扰动机理研究[J]. 秦华伟,陈鹰,顾临怡. 海洋学报(中文版). 2007(02)
[5]新型海底沉积物剪切强度原位测试原理[J]. 吴鸿云,陈新明,高宇清. 矿山机械. 2006(12)
[6]非牛顿型浆体管道阻力降的一种简捷计算方法[J]. 隆丹彤. 天津化工. 2006(05)
[7]非牛顿流体力学研究的若干进展[J]. 朱克勤. 力学与实践. 2006(04)
[8]常用湍流模型及其在FLUENT软件中的应用[J]. 李文华,苏明军. 水泵技术. 2006(04)
[9]圆碟形潜水器阻力性能研究[J]. 张怀新,潘雨村. 上海交通大学学报. 2006(06)
[10]天然含水量对海底沉积物贯入阻力的影响[J]. 崔高嵩,刘雁春,裴文斌. 海洋测绘. 2005(06)
博士论文
[1]岸式振荡水柱波能发电装置的试验及数值模拟研究[D]. 刘臻.中国海洋大学 2008
[2]潜艇粘性流场的数值模拟及其阻力预报的方法研究[D]. 邱辽原.华中科技大学 2006
[3]海底表层样品低扰动取样原理及保真技术研究[D]. 秦华伟.浙江大学 2005
硕士论文
[1]近水面航行潜体若干水动力的数值模拟[D]. 李佳.哈尔滨工程大学 2007
[2]天然气水合物保真取样技术的研究[D]. 程毅.浙江大学 2006
[3]潜艇水动力计算及型线生成研究[D]. 林小平.武汉理工大学 2005
[4]热液保真采样器的有限元分析设计研究[D]. 沈国泉.浙江大学 2005
[5]深海悬浮物浓缩保真取样器保压性能及薄膜过流能力研究[D]. 陈毅章.中南大学 2004
本文编号：3206169
【文章来源】：中国海洋大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题背景与研究意义
1.2 海底沉积物采样器的研究现状及存在问题
1.2.1 海底沉积物采样器国内外的研究现状
1.2.2 存在问题小结
1.3 主要研究内容
2 海底保真采样器贯入特性研究
2.1 海底沉积物的力学、物理性质
2.1.1 海底沉积物的分类
2.1.2 海底表层沉积物特性
2.1.3 海底浅层沉积物的特性
2.2 海底沉积物贯入特性机理研究
2.2.1 贯入采样过程产生“桩效应”的机理分析
2.2.2 重力冲击式采样器配重的确定
2.2.3 采样器自由抛落高度的确定
2.2.4 采样倾斜角的确定
2.2.5 采样器抛落末速度的确定
2.3 贯入采样特性模型研究
2.4 采样器刀头设计准则
2.5 本章小结
3 海底沉积物保真采样器结构系统研究
3.1 采样器对压力和温度的要求分析
3.2 海底采样器的设计指标与作业环境
3.3 海底采样器结构方案设计和工作原理
3.3.1 海底采样器的功能分析
3.3.2 海底采样器结构方案设计
3.3.3 采样器工作原理
3.4 采样器保真采样关键技术
3.4.1 基于行程触发原理的样品转移技术
3.4.2 保真取样分用技术
3.4.3 自动密封技术
3.4.4 贯入采样过程的防倾斜技术
3.4.5 去污清理技术
3.4.6 缆绳匹配
3.5 本章小结
4 海底保真采样器保温保压性能分析
4.1 有限元理论与方法
4.2 采样器保温性能分析
4.2.1 热传导方程和单值性条件
4.2.2 有限元保温模型
4.2.3 采样器保温方法
4.2.4 计算结果及分析
4.2.5 采样器保温性能测试与仿真对比
4.3 采样器保压性能分析
4.3.1 保真结构变形量
4.3.2 样品筒的数学模型
4.4 本章小结
5 采样器流场数值模拟的基本理论
5.1 基本控制方程
5.1.1 粘性流体基本方程
5.1.2 本构方程
5.1.3 纳维-斯托克斯方程
5.1.4 雷诺平均N-S方程(RANS方程)
5.2 数值离散方法
5.2.1 有限体积法
5.2.2 方程离散格式
5.3 流场计算方法
5.3.1 计算网格
5.3.2 SIMPLE算法
5.4 湍流模型
5.4.1 标准κ-ε模型
5.4.2 RNG κ-ε模型
5.4.3 Realizable κ-ε模型
5.5 边界条件与初始条件
5.5.1 边界条件
5.5.2 初始条件
5.6 本章小结
6 海底沉积物采样器的水动力性能研究
6.1 物体绕流阻力计算实例
6.1.1 圆柱绕流
6.1.2 计算模型
6.1.3 计算结果及分析
6.2 网格模型和网格尺寸对采样器的阻力影响
6.2.1 计算域与数值方法
6.2.2 计算结果及分析
6.3 不同雷诺数下采样器水动力分析
6.3.1 计算条件
6.3.2 计算结果及分析
6.4 不同攻角下采样器水动力性能分析
6.4.1 计算模型
6.4.2 计算结果及分析
6.5 不同采样地质状态对采样器的阻力影响
6.5.1 牛顿流体和非牛顿流体
6.5.2 计算模型
6.5.3 计算结果分析
6.6 本章小结
7 全文总结和展望
参考文献
致谢
个人简历
发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]鱼雷雷体阻力与升力系数数值计算与校验[J]. 高孔军,孙炯,李雄飞. 计算机与数字工程. 2008(05)
[2]FLUENT及其在飞机绕流流场并行计算中的应用[J]. 谢江,毛国勇,张武. 计算机工程与应用. 2007(28)
[3]-湍流模型及其在FLUENT软件中的应用[J]. 熊莉芳,林源,李世武. 工业加热. 2007(04)
[4]海底沉积物取样的扰动机理研究[J]. 秦华伟,陈鹰,顾临怡. 海洋学报(中文版). 2007(02)
[5]新型海底沉积物剪切强度原位测试原理[J]. 吴鸿云,陈新明,高宇清. 矿山机械. 2006(12)
[6]非牛顿型浆体管道阻力降的一种简捷计算方法[J]. 隆丹彤. 天津化工. 2006(05)
[7]非牛顿流体力学研究的若干进展[J]. 朱克勤. 力学与实践. 2006(04)
[8]常用湍流模型及其在FLUENT软件中的应用[J]. 李文华,苏明军. 水泵技术. 2006(04)
[9]圆碟形潜水器阻力性能研究[J]. 张怀新,潘雨村. 上海交通大学学报. 2006(06)
[10]天然含水量对海底沉积物贯入阻力的影响[J]. 崔高嵩,刘雁春,裴文斌. 海洋测绘. 2005(06)
博士论文
[1]岸式振荡水柱波能发电装置的试验及数值模拟研究[D]. 刘臻.中国海洋大学 2008
[2]潜艇粘性流场的数值模拟及其阻力预报的方法研究[D]. 邱辽原.华中科技大学 2006
[3]海底表层样品低扰动取样原理及保真技术研究[D]. 秦华伟.浙江大学 2005
硕士论文
[1]近水面航行潜体若干水动力的数值模拟[D]. 李佳.哈尔滨工程大学 2007
[2]天然气水合物保真取样技术的研究[D]. 程毅.浙江大学 2006
[3]潜艇水动力计算及型线生成研究[D]. 林小平.武汉理工大学 2005
[4]热液保真采样器的有限元分析设计研究[D]. 沈国泉.浙江大学 2005
[5]深海悬浮物浓缩保真取样器保压性能及薄膜过流能力研究[D]. 陈毅章.中南大学 2004
本文编号：3206169
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