拖曳体内波尾迹水下/水面波流特征试验研究

内波水面效应对于水下航行体探测具有重要意义，目前关于水下航行体内波尾迹水面特征的相关研究还较少。本文介绍了在大型分层流试验水池中同时开展的以研究内波尾迹特征及其诱导的水面流动特征的拖曳体内波水下/水面尾迹特征试验研究。研究采用电导率仪阵列测量拖曳体(SUBOFF)水下内波波高场及其随时间变化，采用基于光学粒子图像互相关分析的流场测试方法测量拖曳体激发内波诱导的水面流场，并定量分析拖曳体激发的内波波长及其扰动引起水面流动的波长。研究表明：所采用的水面流场测量方法可以测量水面mm/s低速流动。在低傅汝德数Fr_i下(Fr_i≤2.14)，分层流体中拖曳体水面尾迹特征主要受水下体效应内波影响，其水面尾迹波长及传播速度与水下内波的波长、传播速度基本一致；随着Fri的增加(2.14≤Fr_i≤3.42)，在水下尾流效应内波逐渐增强，但在水面流场未见明显尾流效应内波影响；随着Fri的进一步增加(3.42≤Fr_i≤10.27)，水下呈现出明显的尾流效应内波特征，由于表面波效应增强，水面流动主要表现为Kelvin波特征。     

内波作用下水下航行体应急上浮的运动及水动力数值模拟研究

海洋内波是边缘海普遍存在的现象，非线性内波尤其是大振幅的内孤立波对于水下航行体的安全航行具有重要影响。本文首先采用RANS方法结合运动控制方程，开展内波作用下的水下航行体自由运动过程数值模拟及分析，结果显示，在不采取主动操控措施的情况下，水下航行体被内波快速拖入波谷。然后对该耦合运动过程开展详细分析。在此基础上采用数值计算方法重点研究遭遇内波后实施紧急操控后的应急上浮运动，详细分析该过程的运动及流场特征，并进行理论对比分析。     

内波作用下水下航行体水动力载荷及运动特性研究

中国南海区域海洋内波出现频率较多。海洋内波携带着巨大能量,对于水下航行体的安全航行具有非常大的威胁。为了研究内波对水下航行体的水动力性能影响,该文基于RANS方法和KdV理论建立了分层流中的内孤立波与水下航行体相互作用的数值模拟方法。在对约束模型数值模拟分析的基础上,采用DFBI方法结合重叠网格技术,开展了内孤立波作用下水下航行体自由运动的数值模拟。分析表明,内孤立波与航行体相遇,会使得其周围流场变得异常复杂,从而引起突变的流体动力和运动,对此时的航行安全性应给予极大重视。     

水下运动物体产生内波的研究进展

水下运动物体产生内波是内波动力学研究的一项重要内容,具有重要的军事应用价值。依据水下运动物体对周围层化流体扰动方式的不同,将水下运动物体产生的内波分为两类：Lee波和尾流内波。文章首先在综合Lee波产生机制的基础上,对Lee波的理论、实验和数值研究工作进行了归纳,并给出了通过这三种手段对Lee波进行研究所取得的成果。同时,对尾流塌陷内波和尾流随机内波的研究状况和研究成果进行了介绍和总结。最后,提出在推进水下运动物体产生内波的研究过程中需要关注的几个问题和相应的研究思路。     

基于层析内波理论的大幅内孤立波快速时域模拟研究

我国南海内波频发,大幅内孤立波对水下航行器及海洋立管等结构物的安全存在巨大威胁。论文基于层析内波理论开展大幅内孤立波的时域模拟方法研究,采用重力塌陷法造波。在传统的时域模拟中通常要设置非常大的计算区域,以确保生成一个完整的内孤立波。然而计算区域过大使得计算量较大。论文提出了一种伴随着内波平移的移动计算域方法。研究表明,移动计算域的方法与传统长域的数值模拟方法精度相同,计算效率大大提高。使用移动域方法并配合层析内波理论,可对深水模式下的大幅内波进行快速和高效的时域模拟。     

温度分层流体中潜航器激发内波试验

当水下航行体在温度、密度沿垂向存在分层现象的流体环境中航行时,海水微团会因潜航体的扰动偏离其初始平衡位置并在浮力和重力的作用下往复振动进而形成内波.内波的传播会对原有的温度场产生扰动,因此可以通过对水温扰动特性展开研究来逆向分析潜航体的运动状态.现阶段关于温度变化研究大多停留于理论探讨和数值仿真阶段,缺乏模型试验进行对照,同时温度受环境影响较大,更需要从模型试验角度进行探究.基于上述因素,文中建立了一套试验系统,在试验室尺度下通过温度变化模拟海洋温度跃层环境形成并探究其温度变化情况.研究发现在存在温度分层的流体环境中,潜航体行进过程中存在一个临界速度U_c,在航速达到U_c之前,潜航体产生的温度扰动效果与航速之间近似于线性正相关关系;在航速达到U_c后,即使继续增大航速,其产生的温度扰动效果依旧不会有明显增幅;直到航速突破极限速度U_d后温度扰动效果才会继续增加.为进一步模拟海洋环境及反潜隐身相关研究提供参考.     

潜航体激发类开尔文内波的垂向数值纹影实验研究

运用垂向数值纹影实验技术(NSS_V),研究了潜航体模型在线性分层流体中激发内波的形态特征,测量了类开尔文V形内波的张角、航行方向内波波长 λx与内弗罗德数(Fr=U/DN)之间的关系.实验表明:V型内波张角随着弗罗德数增大而减小,在Fr=1附近出现一个异常缓变平台;波峰线相关波长 λx与弗罗德数呈线性关系:λx=8.57Fr+1.74.对比实验表明潜航体的指挥塔对三维内波流场影响主要表现为其体积效应及角区的湍流尾迹效应.     

潜航体激发类开尔文内波的垂向数值纹影实验研究

运用垂向数值纹影实验技术(NSS_V),研究了潜航体模型在线性分层流体中激发内波的形态特征,测量了类开尔文V形内波的张角、航行方向内波波长λ_x与内弗罗德数(Fr=U/DN)之间的关系。实验表明:V型内波张角随着弗罗德数增大而减小,在Fr=1附近出现一个异常缓变平台;波峰线相关波长λ_x与弗罗德数呈线性关系:λ_x=8.57Fr+1.74。对比实验表明潜航体的指挥塔对三维内波流场影响主要表现为其体积效应及角区的湍流尾迹效应。     

基于改进递归最小二乘估计的潜器轨迹预测

由于海流、温度、海底地形等深海环境因素影响,同时存在潜航器自身推进器扰流、母船螺旋桨扰流等因素,超短基线（USBL）作为深海水下潜航器通信定位的系统存在通信延迟不一、异常值随机出现等问题。当潜航器与母船之间的水平夹角小于USBL自身的通信角,潜航器与母船无法实时通信,由此带来一定潜航器与船体的碰撞风险。针对上述问题及风险,提出基于改进的递归最小二乘法估计的潜航器水下轨迹预测方法,可有效降低测量扰动的影响,对航行轨迹进行预测。     

基于数值分析的潜航体壁面压力分布研究

针对大尺寸轴对称高速潜航体壁面压力测点少且间距大,测量数据不足以反映空泡流状态下潜航体壁面压力分布规律的问题,提出基于数值分析的潜航体壁面压力分布计算方法。引入完全空化模型并研究其计算大尺寸潜航体壁面压力分布的可行性,分析潜航体尺寸在垂直方向上引起的水压对潜航体壁面压力分布的影响,获得空化数对潜航体壁面压力分布的影响规律。结果表明,利用完全空化模型计算大尺寸轴对称潜航体壁面压力时必须考虑潜航体尺寸在垂直方向上引起的水压影响;随着空化数的减小,空穴内部压力增大,潜航体壁面低压区增大,空穴尾部封闭端高压区与潜航体头部距离增大。     

超低频雷达反演海洋内波波长和振幅

利用超低频雷达探测海洋内波是海洋内波探测的新方法,该方法使用1Hz～100Hz频段的电磁波探测海洋内波并反演得到内波振幅和波长等参数.根据超低频电磁波在海水中、海气界面和内波界面处的传播特性以及海洋内波水下结构特点,建立了超低频雷达反演海洋内波振幅、波长模型,并分析了探测的回波信号,仿真结果表明,使用超低频雷达可以反演得到内波振幅和波长.     

基于波面随机性的船舶底部砰击压力计算方法研究

基于海浪波面的随机特性,研究船舶底部砰击压力的计算方法.分析纵向入水角对船底砰击压力量值的影响程度,建立二者之间的定量关系.在预报船舶砰击压力时引入随机海浪的波面条件,计及船舶运动和海浪波面倾角因素对砰击压力的影响.采用蒙特卡罗数值模拟法对砰击压力的统计规律进行研究,结果表明:计及纵向入水角的船底砰击压力计算方法.更加...     

基于Simulink的潜器在海浪中运动的实时仿真

以随机长峰波海浪作为模型,利用流体力学和波浪理论的原理对潜器在波浪中的运动进行受力分析,建立了潜器的横摇、纵摇和起伏运动的数学模型,用S函数进行各种海况下波浪力的计算和微分方程的求解,运用Matlab中的Simulink控件对潜器在海浪中的运动进行实时仿真,结果表明该方法能够比较真实地模拟各种海况下潜器在海浪中的运动情况.     

潜艇近水面航行兴波特征研究

潜艇作为一种水下航行器，其近水面运动时产生的绕流场远比无界直航运动时要复杂得多，其近水面航行时对自由液面的影响不容忽视。本文采用粘性流体力学计算方法，对SUBOFF潜艇近水面航行时的粘性绕流场进行模拟，对自由液面的兴波进行计算，并对波形特点进行深入分析。通过本文的研究，得到潜艇近水面航行时自由液面兴波的特点和相关规律。     

一种水下探测海面环境的新方法(英文)

以实现水下运载体从水下探测海面环境为目的,在分析海面风速与风浪破碎、海浪破碎与温度差异、红外传感器性能与发展的基础上,提出一种采用红外传感器探测风浪破碎引起的温度偏差,利用风浪破碎与表层风速相关性获得一定区域内海面风速的新方法。     

近自由面水下爆炸冲击波切断效应研究

近自由面水下爆炸形成的冲击波到达自由面时会反射稀疏波,并伴随着水面的上升、破碎和飞溅等复杂物理现象。文章基于无网格SPH方法建立了近自由面水下爆炸数值模型,开发了计算程序,模拟了冲击波和自由面反射的稀疏波的相互作用过程,分析了切断现象的特性、产生机理以及对冲击波参数的影响。研究发现,爆心正上方且距自由面较近处,稀疏波作用最强;近自由面爆炸冲击波冲量可衰减为无限水域爆炸的1/3左右。文中的研究旨在探索冲击波在自由面处的传播规律,并为近自由面水下爆炸载荷的确定提供参考。     

Experimental investigations on a low frequency horizontal pendulum ocean kinetic energy harvester for underwater mooring platforms

In the interest of extending the operation time of underwater mooring platforms, it is promising and feasible to harvest energy from ocean. A low frequency horizontal pendulum ocean kinetic energy harvester for underwater mooring platforms was presented in this paper. Several series of experimental tests on energy harvesting were carried out. The present research investigates the influence of parameters including excitation frequency, excitation amplitude, inertia modification (ballasting) and pendulum rod length, on the energy harvesting performance. Results show that this type of horizontal pendulum energy harvester has the best performance at resonant frequencies 0.2, 0.25 and 0.3 Hz, with the pendulum pitch angle 3°, 4° and 5°, respectively. It is indicated that the energy harvester can slightly tune the natural frequency to meet the prominent excitation frequency through varying the pendulum pitch angle. The test results also show that the optimal output power take off damping is 30 or 40 Ω in most case, and the maximum average output power can reach 0.3 W, with high normalized power density of 3453.8 kg/m³. Similarly, the results show that three parameters, excitation amplitude, inertia modification (ballasting), and pendulum rod length, have a significant influence on the energy harvesting. This work constitutes a preliminary step towards the development of a low frequency horizontal pendulum ocean kinetic energy harvester for underwater mooring platforms.     

潜艇内波尾迹物理场在海面映波量值的确定

采用Tuck的方法,具体计算了国外有代表性的潜艇在海洋中内波尾迹物理场垂直上传到海面上的映波的量值,并对映波波幅随艇半径、艇长度、艇速和艇后距的关系作了分析.     

自主水下航行器发展概述

自主水下航行器（AUVs）因其应用于海洋勘探而逐渐成为一个有趣的研究对象。波浪滑翔机是一种行驶于波浪表面的无人滑行器（SUV）,它借助海洋能来推动自己,这对于典型的AUVs所采用的电机供能以及昂贵的锚链系统浮标供
　　能来说,是一种技术上的重大跨越。该文讨论了最有效率的AUVs类型。第一部分为每一种类型的发展历程,第二部分为它们各自的技术特点。此外,波浪滑翔机作为应用于海洋部门的一种新型水下机器人,文中简要地给出它的过去,现在以及未来的发展概述。研究波浪滑翔机的意义在于证明它的效率以及实用性,进而取代诸多的AUVs来实现各种实际应用。而研究结果也表明波浪滑翔机确实可以应用于众多领域。对于海洋检测而言,相比于其他AUVs,波浪滑翔机提供了更廉价,更经济,更环保的作业模式,同时也不需要缆绳、船舶等海上作业服务。