基于耦合理论的海底地震仪设计方法研究

进行航行舰船地震波观测时,必须考虑海底地震仪(OBS)与海底的耦合问题.由于大部分海底被一层厚厚的松软沉积物覆盖,所以海底地震仪响应会严重影响海底表面的运动.并且海底地震仪位于流体与固体的边界上,浮力的作用也会影响质点运动.对于不同类型的地震波,作用力与质点运动并不满足我们所期望的关系.本文介绍了海底地震仪与沉积物的耦合模型,将其简化为质量 - 弹簧 - 阻尼器系统.响应特性主要取决于OBS的质量、结构、刚性以及沉积物密度.通过理论计算,得到影响海底耦合的主要因素,并在此基础上提出海底数字地震仪的合理设计方法.     

海底三维散射模型仿真研究

海底声散射强度是浅海混响预报的一个重要物理量.采用Jackson复合粗糙度模型研究了非均匀海底界面的声散射问题,对模型进行了理论推导和仿真计算,利用已发表的海底散射强度实测数据与模型仿真结果进行对照,验证了模型的正确性,并就海底沉积物类型和海底声学特性参数对海底反向散射强度的影响进行了分析.     

海水和沉积物中声传播损失的仿真分析

文章建立了水—沉积物—海底半空间的分层海底模型,通过仿真计算,比较了声波在海水和沉积物中接收时的传播损失差异。结果表明,在高声速海底的条件下,声波在沉积物中传播且频率较低时,传播损失较低,即低频声波更易于在沉积物中传播。     

海底沉积物特性对舰船地震波传播的影响

舰船地震波场是指舰船航行时所产生的船体震动噪声和舰船辐射噪声的低频部分,通过海水辐射到达海底,其中部分声能耦合到海底并以弹性介质波的形式在海底传播.海底沉积物作为声在浅海中传播的下边界,不同底质的海底对声波在波导中的传播具有重要的影响.根据海底反射损失对3种典型的海底做了建模并分析了其对舰船地震波传播的影响.不同频率的低频声波在底质中的吸收衰减各不相同.可以利用能够传播较远距离的某些频率的低频声波实现对舰船的远距离探测.     

新型海底沉积物采样器结构设计及采样过程仿真分析

针对海底沉积物采集的特点,设计了新型海底沉积物采样器,将采样和保真融为一体,利用海底触发装置实现采样,利用海水等静压原理实现采样器的封口与保真,采用FLUENT软件对采样过程进行了模拟仿真,并对采样的动态过程进行了分析,结果显示在下落高度足够时,采样器撞击海底的速度趋于稳定值,同时攻角小于5°时采样时所受的阻力最小.     

复杂地形条件下浮式栈桥运动响应的频域分析

为了研究复杂地形条件下浮式栈桥的运动响应,并探讨波浪圆频率及浪向角等因素对浮式栈桥运动响应的影响。论文利用势流理论及波浪绕射/辐射理论对浮式栈桥所处流场的速度势进行了分析,并对复杂海底地形条件下浮式栈桥的运动特性进行了水池试验和数值模拟研究。基于水动力计算软件AQWA,将复杂海底地形作为一个潜体置于海底,进而考虑其与上部浮体及波浪的水动力干扰,从而建立了海底地形-浮式栈桥-波浪水动力耦合计算模型,模拟计算了浮式栈桥在复杂地形条件下的运动响应,并通过水池试验对数值计算结果进行了验证。结果表明,耦合计算模型能够较为准确地预报复杂地形条件下浮式栈桥的运动响应;复杂海底地形条件下浮式栈桥各桥节的运动响应有较显著的差异,且桥节RAOs随浪向角的变化曲线与平坦海底地形条件下的RAOs曲线有一定差异;浅水环境下海底地形对浮式栈桥运动响应和波浪传播特性的影响不能忽视。     

基于OpenFOAM的悬沙与运动集矿车相互作用数值模拟研究

近年来，深海采矿越来越成为学术研究的前沿热点问题，其中集矿车对海底环境影响问题是重点研究的内容之一。文章基于计算流体力学工具箱OpenFOAM中的两相流混合模块，分别建立我国研制的第二代集矿车^[1]的二维和三维简化模型，模拟悬浮沉积物在水中的扩散和沉积过程，植入基于浮力项修正的k-ω SST湍流模型实现湍流闭合，并使用任意耦合滑移网格法(ACMI)实现对集矿车长距离位移的模拟，分析了集矿车与水-沉积物两相流相互作用对周围流场结构的影响，以及三维模拟中壁面效应对模拟结果的影响，探究了沉积物羽流扰动机制，为进一步研究集矿车对海底环境影响提供技术支撑。     

基于单个三分量海底地震仪的水中目标方位估计

利用相互连接的地震仪或者声传感器阵列可以实现水中目标的方位估计及源的定位。对单个三分量地震仪来说,通过分析其水平轴接收信号之间的相互关系可以得到水中航行目标的方位估计。应用所研究的方法对置放于海底的地震检波器所接收水面航行目标的数据进行分析,得到了目标方位角的估计。     

基于SFS方法的侧扫声呐图像三维重构

针对侧扫声呐受其测量机理和作业模式影响无法直接获取海底表面地形及水下目标物高度信息的问题,提出改进的明暗恢复形状最小化方法。通过从侧扫声呐原始数据文件出发,解析得到斜距量程、采样精度等重要参数以及二维瀑布图。在瀑布图基础上,提出一种基于小波变换的最小化算法,求解得到对应二维图中每一点的相对高度值,从而实现了海底表面地形的高精度三维重构。通过对比实验证明,与2种经典的最小化法相比,基于小波变换的最小化法性能明显提高。     

水下油气泄漏声学探测实验

如何快速有效探测识别水下油气泄漏是目前亟需解决的技术难题。通过实验选取5种油样和2种沉积物布设不同直径、含油量的探测目标,并通过多波束声呐在水池内开展60组声学探测实验。实验表明,海底含油沉积物与海底沉积物的散射强度差值为10 dB,水柱中的油气与水体背景的散射强度差值为7 dB。声学探测是油气泄漏探测的有效方法。