基于耐波性的小型表层漂流浮标的研究与设计
发布时间：2021-06-14 00:33
海洋资料浮标是一种布放在海洋中获取海洋信息的重要观测设备,作为海洋资料浮标的一种,表层漂流浮标体积小、重量轻,可对洋流、污染物、溢油、海洋气象、海水的物化特性及深海剖面层等进行全天候监测,对海洋环境调查和海洋环境保护具有重要意义;浮标内部通常搭载多种测量仪器和通讯设备,为保证浮标内部各系统稳定连续运行,延长工作寿命,浮标在波浪作用下的运动状态及运动幅度尤为关键;因此通过优化浮标外形和结构参数提高浮标波浪作用下的耐波性对表层漂流浮标的研究有着重要意义。根据表层漂流浮标的研究现状和发展趋势,基于对表层漂流浮标工作环境、搭载仪器和浮标运动的稳定性的考虑,对表层漂流浮标进行了外形及结构参数的研究设计,为表层漂流浮标的理论设计和技术应用提供参考。本文的主要工作内容和创新点如下:（1）首先对数值波浪水槽的波浪传递性能做了深入研究,对传统的采用阻尼消波的纯粘流数值波浪水槽和本文所使用的基于欧拉嵌套势粘流结合的新型数值水槽进行了详细的波浪传递性能对比分析,并对数值波浪水槽具体的网格和计算时间步长等设置参数进行了严格的收敛性验证,最终总结出基于势粘流结合的新型数值水槽建立方式和参数设置方法,为数值波浪水...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．５海洋浮标分类??Ｆｉｇ．?１．５?Ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｓｅａ?ｂｕｏｙｓ??
?基于耐波性的小型表层漂流浮标的研宄与设计???ｆ??Ｉ??图１．６表层漂流浮标结构??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｕｒｆａｃｅ?ｄｒｉｆｔｉｎｇ?ｂｕｏｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??通常情况下，表层漂流浮标都能在无人干涉和海况不佳的情况下长时间对洋流数??据、气象数据以及海洋水文信息进行不间断监测；其投放方式可以通过人工投放亦可以??使用机械大批量投放，小型表层漂流浮标可进行回收成本评估决定回收与否，配备太阳??能充电板的表层漂流浮标可长期连续的海上工作，在此期间可以获得大量海洋数据，较??小的体积更不易被发现和破坏，所以在短时间内获得了广泛应用［１９－２１】。??１．３．２国内外发展现状和趋势??表层漂流浮标技术的开端可以追溯到上个世纪４０年直到富兰克林在海上目测??到漂流物的出现表层漂流浮标的概念才第一次被提出，起初的漂流浮标仅仅是最简单的??随流漂流器；到了?５０年代，中性表层漂流浮标出现，其利用浮标的连续上浮和下潜进??行表层流的观测；由于看到了表层漂流浮标的光明前景，６０年代初期，以美国为代表??的西方以及苏联等国家加大力度对表层漂流浮标进行进一步研发；直到６０年代末７０年??代初，由于石油产业的需要，表层漂流浮标作为主要观测仪器得到了快速发展；在此期??间，Ｃｒｅａｓｅ?（１９６２）和Ｓｗａｌｌｏｗ?（１９７１）对空间尺度为５０ｋｍ的中尺度进行了扰动观测，??当时使用了?８０个表层漂流浮标；到了?７０年代末期，由于计算机技术以及卫星通讯技术??的质变发展，表层漂流浮标也进入了蓬勃发展时期，１９７８年全球卫星定位系统由西方??国家建成，表层漂流浮标得以在全球海域的海洋数据调查发挥巨大作用；９０年代表层??漂
?大连海事大学专业学位硕士学位论文????进行离散，从而得到每个网格节点的差分方程；有限体积法在计算流体力学中最为常见，??其对网格依赖孝边界处理相对简单，物理意义更加明确ｍ－５１］。有限元方法是建立在将??空间分解成一系列小区域的基础上，即我们所说的网格划分。??广网格节点?????■■?一＿??？?他几—??网格单夫胃??图２．１六面体网格三维示意图?图２．２六面体网格二维示意图??Ｆｉｇ．?２．１?３Ｄ?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｒｉｍ?ｍｅｓｈ?Ｆｉｇ．?２．２?２Ｄ?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｒｉｍ?ｍｅｓｈ??本文所选取的网格形式为六面切割体网格，每个网格单元都会相邻着八个网格单??元，其与控制体之间的位置关系示意图如图２．１所示；图２．２所示为二维示意图，其以??网格单元格心为中心点与周围控制体网格每个面有四个控制体，共二十四个控制体。??为了进一步提高仿真的准确性，选用二阶差分格式，对于每一个控制体，当其无限??小时我们认为其内部流动参数基本保持不变，此时的Ｎ－Ｓ方程如２．１３所示：??ｆ?＼??ｉ?ＱＭｄｖ?（２１３）??ＵＬ?ｖ?＾?？??将式２．１３等号右边通量项进行离散得到式２．１４－２．１５：??Ｕ?Ｆ（Ｑ）?■ｎｄＳ?＝?Ｙ４?Ｆ（Ｑｉｊｋ?）？?ｎｉｊｋＡＳｉｊｋ?（２．１４）??＝ＺＦｖｆｅＪ－％Ａ＾?（２．ｉ５）??式中：为控制体的守恒同量的平均值；Ｆ（０为对流通量；Ｆｖ（０为粘性通量；??为无粘性通量；表示粘性通量；和分别表示控制体表面的单位矢??量与面积。??这样就将非线性偏微分方程转化为一阶常微分方程；由于是非定长仿真，所以本文??
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种多参数表层漂流浮标的结构优化与性能分析[J]. 张继明,赵强,刘世萱,万晓正,王楷. 海洋技术学报. 2018(03)
[2]基于数值波浪水槽的圆柱浮标运动仿真与分析[J]. 杨壮滔,张涛,段浩,朱敏. 水下无人系统学报. 2018(03)
[3]系泊型远海浮体平台水动力特性数值研究[J]. 孙一颉,孙中国,曹文瑾,席光. 工程热物理学报. 2018(02)
[4]基于北斗通信系统气象水文漂流浮标设计与实现[J]. 孔卫奇,杨志勇,马尚昌. 现代电子技术. 2017(19)
[5]表层漂流浮标水帆的研制与海上试验[J]. 王鹏,熊学军,吴俊飞. 机械制造. 2017(05)
[6]基于MSP430气象水文漂流浮标采集器的硬件设计[J]. 严学阳,杨笔锋,马尚昌. 成都信息工程大学学报. 2017(01)
[7]南印度洋表层副热带环流的漂流示踪[J]. 张涟漪,杜岩,郑少军,贺志刚,彭世球. 科学通报. 2016(33)
[8]马航MH370残骸漂移轨迹分析和预测[J]. 高佳,牟林,王国松,李程,董军兴,鲍献文,李欢,宋军. 科学通报. 2016(21)
[9]湖区浮标水动力特性研究及其系留系统探讨[J]. 陈凤来,童亮,施永富,蔡建国,贾文文. 中国水运(下半月). 2016(02)
[10]VOF方法在水利水电工程中的运用[J]. 马力. 科技展望. 2016(02)
博士论文
[1]波浪浮标水动力特性及波浪要素识别方法研究[D]. 张孝春.武汉大学 2014
[2]有相对运动的多体分离过程非定常数值算法研究及实验验证[D]. 王巍.国防科学技术大学 2008
[3]包含运动边界的多体非定常流场数值模拟方法研究[D]. 郭正.中国人民解放军国防科学技术大学 2002
硕士论文
[1]基于多种通信方式的多参数表面漂流浮标设计[D]. 张茜.国家海洋技术中心 2019
[2]小倾角浮标总体设计及稳性分析[D]. 赵翔.浙江大学 2018
[3]近海小型海洋浮标标体基本结构的设计研究[D]. 王永超.大连理工大学 2018
[4]小型浮标在波浪作用下运动响应研究[D]. 杨壮滔.中国舰船研究院 2018
[5]新型表层漂流浮标的研制[D]. 王鹏.青岛科技大学 2017
[6]微型波浪浮标观测系统[D]. 娄轩.中国海洋大学 2015
[7]海洋柱形浮标阻力和运动特性研究[D]. 曹宏宇.天津大学 2012
[8]海洋资料浮标水动力分析及结构研究[D]. 唐歆.上海海洋大学 2012
[9]深海浮标的总体设计与计算分析[D]. 王浩.哈尔滨工程大学 2012
[10]波浪作用下玻璃钢浮标水动力特性的数值研究[D]. 孙斌.长沙理工大学 2011
本文编号：3228674
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．５海洋浮标分类??Ｆｉｇ．?１．５?Ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｓｅａ?ｂｕｏｙｓ??
?基于耐波性的小型表层漂流浮标的研宄与设计???ｆ??Ｉ??图１．６表层漂流浮标结构??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｕｒｆａｃｅ?ｄｒｉｆｔｉｎｇ?ｂｕｏｙ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??通常情况下，表层漂流浮标都能在无人干涉和海况不佳的情况下长时间对洋流数??据、气象数据以及海洋水文信息进行不间断监测；其投放方式可以通过人工投放亦可以??使用机械大批量投放，小型表层漂流浮标可进行回收成本评估决定回收与否，配备太阳??能充电板的表层漂流浮标可长期连续的海上工作，在此期间可以获得大量海洋数据，较??小的体积更不易被发现和破坏，所以在短时间内获得了广泛应用［１９－２１】。??１．３．２国内外发展现状和趋势??表层漂流浮标技术的开端可以追溯到上个世纪４０年直到富兰克林在海上目测??到漂流物的出现表层漂流浮标的概念才第一次被提出，起初的漂流浮标仅仅是最简单的??随流漂流器；到了?５０年代，中性表层漂流浮标出现，其利用浮标的连续上浮和下潜进??行表层流的观测；由于看到了表层漂流浮标的光明前景，６０年代初期，以美国为代表??的西方以及苏联等国家加大力度对表层漂流浮标进行进一步研发；直到６０年代末７０年??代初，由于石油产业的需要，表层漂流浮标作为主要观测仪器得到了快速发展；在此期??间，Ｃｒｅａｓｅ?（１９６２）和Ｓｗａｌｌｏｗ?（１９７１）对空间尺度为５０ｋｍ的中尺度进行了扰动观测，??当时使用了?８０个表层漂流浮标；到了?７０年代末期，由于计算机技术以及卫星通讯技术??的质变发展，表层漂流浮标也进入了蓬勃发展时期，１９７８年全球卫星定位系统由西方??国家建成，表层漂流浮标得以在全球海域的海洋数据调查发挥巨大作用；９０年代表层??漂
?大连海事大学专业学位硕士学位论文????进行离散，从而得到每个网格节点的差分方程；有限体积法在计算流体力学中最为常见，??其对网格依赖孝边界处理相对简单，物理意义更加明确ｍ－５１］。有限元方法是建立在将??空间分解成一系列小区域的基础上，即我们所说的网格划分。??广网格节点?????■■?一＿??？?他几—??网格单夫胃??图２．１六面体网格三维示意图?图２．２六面体网格二维示意图??Ｆｉｇ．?２．１?３Ｄ?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｒｉｍ?ｍｅｓｈ?Ｆｉｇ．?２．２?２Ｄ?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｒｉｍ?ｍｅｓｈ??本文所选取的网格形式为六面切割体网格，每个网格单元都会相邻着八个网格单??元，其与控制体之间的位置关系示意图如图２．１所示；图２．２所示为二维示意图，其以??网格单元格心为中心点与周围控制体网格每个面有四个控制体，共二十四个控制体。??为了进一步提高仿真的准确性，选用二阶差分格式，对于每一个控制体，当其无限??小时我们认为其内部流动参数基本保持不变，此时的Ｎ－Ｓ方程如２．１３所示：??ｆ?＼??ｉ?ＱＭｄｖ?（２１３）??ＵＬ?ｖ?＾?？??将式２．１３等号右边通量项进行离散得到式２．１４－２．１５：??Ｕ?Ｆ（Ｑ）?■ｎｄＳ?＝?Ｙ４?Ｆ（Ｑｉｊｋ?）？?ｎｉｊｋＡＳｉｊｋ?（２．１４）??＝ＺＦｖｆｅＪ－％Ａ＾?（２．ｉ５）??式中：为控制体的守恒同量的平均值；Ｆ（０为对流通量；Ｆｖ（０为粘性通量；??为无粘性通量；表示粘性通量；和分别表示控制体表面的单位矢??量与面积。??这样就将非线性偏微分方程转化为一阶常微分方程；由于是非定长仿真，所以本文??
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种多参数表层漂流浮标的结构优化与性能分析[J]. 张继明,赵强,刘世萱,万晓正,王楷. 海洋技术学报. 2018(03)
[2]基于数值波浪水槽的圆柱浮标运动仿真与分析[J]. 杨壮滔,张涛,段浩,朱敏. 水下无人系统学报. 2018(03)
[3]系泊型远海浮体平台水动力特性数值研究[J]. 孙一颉,孙中国,曹文瑾,席光. 工程热物理学报. 2018(02)
[4]基于北斗通信系统气象水文漂流浮标设计与实现[J]. 孔卫奇,杨志勇,马尚昌. 现代电子技术. 2017(19)
[5]表层漂流浮标水帆的研制与海上试验[J]. 王鹏,熊学军,吴俊飞. 机械制造. 2017(05)
[6]基于MSP430气象水文漂流浮标采集器的硬件设计[J]. 严学阳,杨笔锋,马尚昌. 成都信息工程大学学报. 2017(01)
[7]南印度洋表层副热带环流的漂流示踪[J]. 张涟漪,杜岩,郑少军,贺志刚,彭世球. 科学通报. 2016(33)
[8]马航MH370残骸漂移轨迹分析和预测[J]. 高佳,牟林,王国松,李程,董军兴,鲍献文,李欢,宋军. 科学通报. 2016(21)
[9]湖区浮标水动力特性研究及其系留系统探讨[J]. 陈凤来,童亮,施永富,蔡建国,贾文文. 中国水运(下半月). 2016(02)
[10]VOF方法在水利水电工程中的运用[J]. 马力. 科技展望. 2016(02)
博士论文
[1]波浪浮标水动力特性及波浪要素识别方法研究[D]. 张孝春.武汉大学 2014
[2]有相对运动的多体分离过程非定常数值算法研究及实验验证[D]. 王巍.国防科学技术大学 2008
[3]包含运动边界的多体非定常流场数值模拟方法研究[D]. 郭正.中国人民解放军国防科学技术大学 2002
硕士论文
[1]基于多种通信方式的多参数表面漂流浮标设计[D]. 张茜.国家海洋技术中心 2019
[2]小倾角浮标总体设计及稳性分析[D]. 赵翔.浙江大学 2018
[3]近海小型海洋浮标标体基本结构的设计研究[D]. 王永超.大连理工大学 2018
[4]小型浮标在波浪作用下运动响应研究[D]. 杨壮滔.中国舰船研究院 2018
[5]新型表层漂流浮标的研制[D]. 王鹏.青岛科技大学 2017
[6]微型波浪浮标观测系统[D]. 娄轩.中国海洋大学 2015
[7]海洋柱形浮标阻力和运动特性研究[D]. 曹宏宇.天津大学 2012
[8]海洋资料浮标水动力分析及结构研究[D]. 唐歆.上海海洋大学 2012
[9]深海浮标的总体设计与计算分析[D]. 王浩.哈尔滨工程大学 2012
[10]波浪作用下玻璃钢浮标水动力特性的数值研究[D]. 孙斌.长沙理工大学 2011
本文编号：3228674
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