深海剖面浮标上浮运动能耗优化及控制策略

主动排油上浮过程是剖面浮标的应用中最耗能的环节之一,直接影响到剖面浮标的续航能力,本文通过对剖面浮标运动特性及其耗能原因分析,建立了剖面浮标上浮运动过程动力学模型,并基于能量转化分析,利用变分法推导了剖面浮标在给定时间、给定深度条件下所对应的最为节能的上浮速度.在此基础上设置了速度区间并提出了有效的闭环控制算法,使得浮...     

新型蓄能器浮标上浮运动水动力性能研究

基于深海大洋在地球气候系统中的重要作用,国际上陆续提出并实施了一系列以深海大洋为核心的重大研究计划,目前自沉式剖面浮标因具备高分辨率采样观测的能力,被广泛应用于对深海大洋环境的观测研究中。为了增大浮标在运动过程中体积变化范围,本文提出一种在普通APEX浮标上加装N_2蓄能器的改变浮标浮力的方式,给出其工作原理图,结合其工作环境推导出浮标匀速运动时的速度方程,得出普通浮标和氮气浮标上浮运过程中的瞬时加速度以及速度随时间的变化曲线,并比较分析蓄能器对浮标上浮运动的影响。     

深海剖面测量浮标节能研究

为了设计体积小、重量轻的深海水深剖面测量浮标,论文提出了一种节能方案。为了实现对深海剖面测量浮标能耗的模拟研究,通过试验获得深海剖面测量浮标特定元件功耗等特性数据。考虑海水密度变化对其浮力调节的影响,对深海剖面测量浮标建立纵向运动模型,并应用四阶五级龙格库塔法对常微分方程的初值问题进行求解。结果表明:该节能方案有效地控制了上浮速度,其上浮速度在0.1~0.19m/s之间,并节约能量约51.16%,为深海剖面测量浮标的优化设计提供了理论基础。     

剖面探测浮标上浮运动研究

文章提出一种新的改变剖面探测浮标浮力的结构方法,即通过液压缸的伸长和缩短改变浮标的体积进而改变浮标浮力.给出浮标的结构简图并介绍浮标的控制过程,校核液压缸的推力;用力学分析的方法推导出浮标匀速运动时的速度,并计算出浮标上浮所需要的体积;分两种状态推导出浮标从静止开始上浮直到匀速运动这段过程内的瞬时加速度以及速度方程.     

水下滑翔机浮力调节系统研制

[目的]浮力调节系统是控制水下滑翔机潜浮状态及滑翔速度的关键组件。为了深入研究浮力调节系统,[方法]通过对水下滑翔机及其浮力调节系统的理论分析和CFD计算,以获得浮力调节量这一重要的设计参数。研制了具有出油和回油两通路的浮力调节系统、采用高压柱塞泵实现在深水环境下向外出油、低能耗齿轮泵实现在浅水环境下回油的浮力调节系统。在不同压力环境下对出油和回油特性及其能耗进行实验测试。[结果结果]结果表明:在2.5 MPa压力环境下,浮力调节系统出油过程正常;在大气压力环境下,浮力调节系统的回油过程正常,所研制的实验装置可模拟水下滑翔机实际运行环境的海洋压力。[结论]研制工作可为浮力调节系统的工程应用提供有益参考。     

一种浮标自由上浮模型试验换算方法

对浮标自由上浮模型试验过程中的受力进行分析,提出一种预报浮标实尺在水下自由上浮过程中最大稳定速度的方法,预报结果与CFD模拟的结果相近.     

船舶远程尾流场中气泡上浮运动模型

针对尾流气泡运动过程中上浮速度与半径变化互相影响的动态耦合问题,分析了气泡的受力情况,考虑到非恒定Basset力的影响,得出了气泡瞬态加速度模型;并在气泡传质模型中引入非平衡传质理论,得出了气泡的瞬态非平衡传质模型;进而依据气泡质量变化率实现了两模型的耦合,以此构建了完整的船舶远程尾流场中气泡上浮运动模型.计算结果表明,Basset力对运动初始阶段的速度变化影响显著,而引入非平衡传质理论的计算结果与实验吻合更好.     

无动力运载器倾斜爬升式上浮特性分析

[目的]为保证无动力运载器的上浮参数以及出水姿态满足要求,对无动力运载器倾斜爬升式上浮特性进行分析。[方法]基于STAR-CCM+的重叠网格技术、动态流体相互作用(DFBI)以及流体体积(VOF)波模型,采用CFD数值计算方法,对无动力运载器上浮过程进行动态仿真,研究无动力运载器自身比重、质心与浮心位置、舵角以及释放初速对其倾斜爬升式上浮参数以及出水姿态的影响。[结果]结果表明:当净浮力为运载器排水重量的0.15倍时,运载器纵倾角稳定在45°附近;当净浮力为运载器排水重量的0.10倍时,运载器在倾斜的过程中会经历一个回摆过程;并非净浮力越大,运载器上浮的垂直速度就越快,当净浮力为运载器排水重量的0.20倍时,上浮的垂直速度反而最小。[结论]研究结果可为无动力运载器的总体布局和控制设计以及其他领域应用无动力运载器的可行性分析提供一定参考。     

深海应急救生舱波浪中的运动响应数值分析

为探明浮力材料配置体积对深海应急救生舱水面耐波性能的影响,运用CFD软件进行浮力材料3种不同配置体积的深海应急救生舱在水面规则波下横摇和垂荡运动的数值模拟,得到横摇和垂荡运动频响曲线,采用统计分析方法,求得3种深海应急救生舱在三级、四级和五级海况下横摇和垂荡运动幅值。分析结果表明,深海应急救生舱浮力材料配置体积对深海应急救生舱水面耐波性能有较大影响,在满足总体要求和上浮过程安全稳定的基础上,浮力材料配置体积越小,深海应急救生舱的水面耐波性能越好。     

基于浮力调节系统的AUV水底着陆策略研究

[目的]水底着陆是自主式水下机器人(AUV)实现水下长期潜伏、定点观测的一种手段,有利于更好地掌握海洋环境的变化。[方法]介绍基于油囊式浮力调节系统的作业型AUV的基本组成结构及主要功能,提出控制浮力垂直下潜着陆和航行下潜控制浮力垂直着陆这2种水下着陆策略,分析AUV目标点偏离、能耗和离底情况,并开展湖上着陆试验验证。[结果]试验结果表明,依靠该浮力调节系统,AUV能够在水下稳定着陆并安全离底;航行下潜控制浮力垂直着陆策略比控制浮力垂直下潜着陆策略更节省能源,且着陆目标点更为准确。[结论]因此,航行下潜控制浮力垂直着陆策略更符合未来实际应用的需求。     

水中微气泡运动特性的理论研究与仿真

从受力分析的角度,对气泡运动方程进行了推导,并对半径在40～350μm之间的微小气泡进行了仿真计算。结果表明,当考虑气泡上浮的加速过程时,气泡上浮速度明显小于未考虑加速过程时的值,其变化范围为5～10%。因此,对于短距离气泡上浮过程,必须考虑气泡上浮过程中由加速度引起的虚拟质量力和Basset力对上浮速度的影响。在此基础上对气泡运动方程进行了详细分析,结果表明,阻力系数与粘滞系数是影响气泡上浮速度的主要因素,它们的取值与上浮速度成反比,并得出了通用的阻力系数表达式。     

水下滑翔机滑翔运动的能量分析及水动力性能研究

水下滑翔机是一种新型水下无人潜航器,它通过改变自身的浮力在海中前进,续航时间可长达数月或一年.文中对水下滑翔机滑翔运动过程中的能量变化进行了分析,建立了上浮和下潜运动数学模型,通过数值计算方法对水下滑翔机不同速度和攻角下的水动力进行了计算和分析,可为水下滑翔机总体设计与运动控制提供参考.     

航空声呐浮标水中释放过程数值分析

航空声呐浮标依靠水下声系统采集水下目标辐射噪声或者发射声脉冲并接收回波信号,实现探测功能。通过分析水下声系统运动的物理模型,将运动过程分为加速运动、匀速运动和减速运动等3个阶段,分别建立运动方程,求出各阶段的速度函数或位移函数。对相关参数赋值,得出相应曲线和水中释放时间。根据分析的方法和结论,进一步地研究更多类型航空声呐浮标水中释放过程,为反潜作战部署提供理论支撑。     

三体组合式FLiDAR浮标概念设计及幅频运动特性研究

海上激光雷达测风浮标系统在使用的灵活性、测风能力和成本等方面,相对于海上测风塔具有绝对优势,能够更好地满足海上风剖面测量的发展需求。针对浮动式激光雷达测风浮标(FLiDAR Buoy)系统的研发,提出新型三体组合式激光雷达测风浮标体的概念设计,并研究了其幅频运动特性。考虑测风浮标的稳性、运动响应和设备搭载的要求,对浮标体的结构及技术性能进行概念设计,并对主要搭载设备进行布置;在风浪联合作用下,对浮标体的完整稳性进行计算和分析,依据规则对其稳性衡准数K进行校核;忽略浮标体甲板以上的结构建立水动力模型,采用三维势流理论和Morison公式,计算分析浮标体的幅频运动响应特性,重点研究了浪向、水深和单体间距对浮标体RAOs的影响。结果表明,新型的浮标体设计较为合理,幅频运动性能良好,满足稳性的要求,浪向和单体间距对其RAOs影响较大,水深变化对其影响较小。     

大深度浮力驱动式水下运载器的浮潜运动研究

基于模型试验,对大深度浮力驱动式水下运载器的上浮运动进行研究与分析,基于数值仿真,提出大深度浮力驱动式水下运载器浮潜运动的快速预报方法,并将预报结果与模型试验结果进行对比,证明快速预报方法的准确性。使用快速预报方法,针对水下运载器比重变化、流体密度变化、水下运载器初速度以及水流扰动4种因素对浮潜运动的影响进行研究.此外,对水下运载器作六自由度运动时所受的水动力进行计算,为后续的六自由度运动预报和研究提供基础。     

潜艇应急上浮非线性分析综述

潜艇在无法继续原有航行状态时需进行应急上浮,应急上浮是一个非线性运动,对其分析的关键在于对水动力系数进行分析,而水动力系数获取有实验与计算机仿真两种方式。潜艇应急上浮运动是非线性运动,运动过程可用非线性数学模型描述,合理选择和建立非线性数学模型对运动分析的准确性至关重要。     

翼身融合水下滑翔机运动仿真分析

针对回转体形状的水下滑翔机浅海水域滑翔能力弱的问题,以翼身融合水下滑翔机为研究对象,对其进行垂直面动力学模型的建立,并采用MATLAB/Simulink搭建运动模型仿真系统进行开环运动响应研究,分析执行机构的调节速度、浮力调节机构布局方式对水下滑翔机运动性能的影响,得到有利于浅海水域滑翔作业的解决方案;研究水下滑翔机系统输入对运动响应参数的影响程度和定量关系,分析水下滑翔机翼身融合水下滑翔机滑翔比与运动角度关系,得到小角度滑翔可充分利用大滑翔比优势适应浅海水域滑翔作业的结论。     

潜艇上浮力学分析与数值模拟综述

无论是常规潜艇还是核潜艇都会进行上浮运动,潜艇主艇体截面近似为椭圆,尾翼近似为矩形平板,因此上浮过程最终可以看做是椭圆截面绕流和平板绕流力学问题。在上浮至水平面处时,应采取水下数值模拟方法对问题进行分析,同时应考虑自由液面问题对水下数值模拟方法的影响,因此自由边界的数值方法对应急上浮运动研究也是至关重要的。     

深海采矿输送软管受力特性影响因素敏感性分析

研究深海采矿作业过程中矿物输送软管受力特性影响因素的敏感性,能够厘清软管设计过程中各参数的主次关系,减少设计迭代工作量。论文以某深海采矿系统的矿物输送软管为研究对象,建立包括采矿船、输送硬管、中继站、输送软管和采矿车的全系统耦合分析模型,对软管运动响应和受力特性进行时域分析。研究当采矿车按指定路径运动时,软管曲率、等效应力以及采矿车受力大小、角度对流速、流向、浮力块间距、浮力块数量、浮力块位置和矿浆密度等参数的敏感性,为软管构型设计提供参考。     

不确定条件下集装箱船混合目的港贝内排箱问题优化决策

考虑海关随机抽检等不确定事件对集装箱船舶贝内计划的影响,提出一类不确定条件下混合目的港贝内排箱问题。借鉴多阶段动态决策思想,构建该问题任意阶段的0～1整数规划模型。通过松弛问题模型的约束和目标,提出一种插入-分段搜索的启发式算法,算法核心是插入-分段操作与分段搜索操作,其中,插入-分段用来缩小问题域的搜索范围,分段搜索用来实现多目标的两阶段处理。通过仿真试验与分析,该算法可提高船舶贝内计划的鲁棒性,并能够满足船舶贝内横倾力矩的要求。