圆柱形浮标运动分析与仿真_曲少春

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应用于海洋物性监测仪的小型浮标水动力分析

第39卷第1期2021年1月海洋科学进展A D V A N C E S I N MA R I N E S C I E N C EV o l .39 N o .1J a n u a r y,2021研究论文应用于海洋物性监测仪的小型浮标水动力分析梁冠辉1,孙宝楠1,2*,薛宇欢1,2,陶常飞1,官晟1,2,周兴华1(1.自然资源部第一海洋研究所,山东青岛266061;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266237)收稿日期:2019-09-03资助项目:重大科学仪器设备开发专项海洋物性参数监测仪(2018Y F F 01014100)作者简介:梁冠辉(1985 ),男,助理工程师,硕士,主要从事海洋监测设备研制与维护方面研究.E -m a i l :l i a n g g h @f i o .o r g.c n *通信作者:孙宝楠(1984 ),女,助理研究员,博士,主要从事海洋动力学方面研究.E -m a i l :s u n b n @f i o .o r g.c n (王佳实编辑)摘要:为验证研制的国产气象水文传感器的性能,设计了直径3m 的圆盘式小型浮标,拟搭载所有传感器在2000m 以深海域开展应用试验㊂统计了试验海域的有义波高㊁波浪周期㊁最大风速和表层流速等环境参数,计算了浮标的质量㊁重心㊁吃水㊁受力投影面积和惯性矩等设计参数㊂以三维势流理论和波浪辐射-绕射理论为基础,使用A QWA 软件在频域内对浮标进行水动力计算,仿真了浮标工作时所受的一阶波浪力㊁附加质量㊁附加阻尼和运动幅值响应因子,通过仿真结果对浮标设计方案进行优化,优化后的浮标计算结果随波浪频率变化平缓,幅值合理且无激增点,表明该浮标与工作海域内的波浪没有发生明显谐振,对环境载荷有足够的承受能力,方案可用于浮标研制㊂关键词:浮标;势流:水动力:频域分析;耐波中图分类号:T P 23 文献标识码:A 文章编号:1671-6647(2021)01-0136-10d o i :10.3969/j.i s s n .1671-6647.2021.01.014引用格式:L I A N G G H ,S U NBN ,X U EY H ,e t a l .H y d r o d y n a m i c a n a l y s i s o f s m a l l b u o y a p p l i e d t om a r i n e p h y s i -c a l p a r a m e t e r sm o n i t o r [J ].A d v a n c e i nM a r i n e S c i e n c e ,2021,39(1):136-145.梁冠辉,孙宝楠,薛宇欢,等.应用于海洋物性监测仪的小型浮标水动力分析[J ].海洋科学进展,2021,39(1):136-145.为验证国产气温㊁气压㊁相对湿度㊁风场㊁雨量㊁太阳辐射㊁水温和海流等气象水文传感器的性能指标[1-3],拟采用小型海洋浮标为平台搭载所有传感器在2000m 以深海域开展1a 以上的示范试验㊂试验中浮标的运输和布放要求浮标小型化和轻便化,长期海洋试验又要求浮标具有足够的外形尺寸和质量来抵抗风㊁浪㊁流等环境载荷的影响㊂合理地设计浮标的外形尺寸和质量等属性既可以提高浮标数据采集精准度和浮标安全性,防止浮标出现倾覆㊁走锚以及断链等事故[4-5],也可以降低试验成本㊂考虑浮标的运输㊁布放要求和布放海域的水文气象条件,设计了直径3m 的小型海洋浮标㊂为保证浮标设计方案能满足试验要求,本文将研究其水动力特性,计算环境载荷对浮标的影响[6-7]㊂目前,海洋结构物水动力研究方法主要包括:流固耦合分析法㊁三维势流理论分析法和多体动力学分析法,其中三维势流理论分析法以其模拟准确度高㊁计算速度快和软件模块成熟的优势被国内外研究者广泛应用于舰船㊁海洋平台和海洋浮标等水动力模拟工作中[8-10]㊂C h i e m e l a 等使用三维势流理论,模拟计算了悬链线锚腿系泊浮标在3个不同环境条件海域内的水动力特性,并确定了浮标的运动幅值响应算子[11];H a m i d r e z a 等运用三维势流理论和莫里森公式按照形状和尺寸对半潜平台各个组成部分进行了综合水动力模拟,应用J O N S WA P 波谱和A P I 风谱作为环境条件对半潜式平台在风浪联合作用下的频域响应和时域响应进行了分析,确定了浮标尺寸和系缆长度对半潜式平台动力响应的影响[12];张炳夫等运用三维势流理论在频域内计算了规则波中系泊浮体的运动幅值响应算子,通过频时转换法在时域内求得系泊浮体在不规则波1期梁冠辉,等:应用于海洋物性监测仪的小型浮标水动力分析137中的一阶波浪力和二阶波浪力,并将理论计算结果与模型试验结果进行了对比,验证了所采用的理论计算方法准确可靠[13];缪泉明等运用三维势流理论计算了极限海况下具备三锚系直径10m 的海洋浮标在2种水深条件下的附加质量㊁阻尼系数以及运动响应,并估算了锚链的受力,为浮标和锚系的设计提供了参考[14]㊂本研究在设计直径3m 的小型浮标过程中,基于海洋物性监测仪深远海试验海域的环境条件,运用三维势流理论和波浪辐射和绕射理论对设计的浮标开展水动力频域计算,通过仿真结果对设计方案进行优化㊂由于势流理论对于流体的无黏处理,本文通过仿真过程对计算结果进行了阻尼修正,提高计算结果的准确性[15]㊂1 计算原理及方法1.1 势流理论假设与边界浮标频域仿真结果主要受海域环境载荷和浮标质量㊁外形等属性的影响,但受海水表面黏性摩擦力影响较小,可以忽略㊂三维势流理论的基本理论将流体假设为无黏㊁无旋和不可压缩的,适合本试验中浮标的频域仿真计算㊂在三维势流理论中,一般采用莫里森公式计算细长杆件,而本研究中的浮标外形尺寸不属于细长杆件,且浮标的垂荡运动响应是重要计算结果之一,因此本文采用波浪辐射和绕射理论对浮标运动响应进行计算㊂势流速度场是标量函数(即速度势)的梯度,流场的边界由物面边界㊁流体自由面㊁海底边界面和无穷远处柱面构成[16-17]㊂需满足的边界条件有:1)拉普拉斯方程:∂2φ∂x 2+∂2φ∂y 2+∂2φ∂z 2=0;2)海底边界条件:∂φ∂z =0,z =-h ;3)自由表面条件:∂2φ∂t2+g ∂φ∂z =0,z =0;4)浸没物体表面条件:∂φ∂n =ð6j =1v j f j (x ,y ,z );5)辐射条件:辐射波无穷远处速度势趋近于0,即l i m R ң¥φ=0㊂在上述边界条件中,φ为速度势函数;x ,y 和z 为坐标轴;t 为时间;n 物体表面外法向矢量;h 为水深;j =1,2,3,4,5和6分别代表物体的横摇㊁纵摇㊁艏摇㊁横荡㊁纵荡和垂荡六个运动模态;v j 为第j 个运动模态时物体表面流速矢量;f j (x ,y ,z )为第j 个运动模态时物体表面的流线函数;R 为流场与物体表面距离㊂1.2 波浪力由线性化的伯努利方程可求得结构物表面水动力压力(p )为p =-ρ∂φ∂t,(1)根据水动力压力性质不同,可将其分为3个部分:入射势所引起的F r o u d e -K r i l o f f 力(F f k )㊁辐射势所引起的辐射力(F d )以及绕射势引起的波浪绕射力(F r )㊂一般将F r o u d e -K r i l o f f 力与波浪绕射力(F r )合称为一阶波浪力(F 1)[18-19],计算公式为F 1i =F f k i +F r i =ρi ω∬S 0φωn i d s +ρi ω∬S 0φd n i d s ,(2)式中,ρ为流体密度;i =1,2,3 ,6为相应的运动模态;n i 为广义单位法线矢量的各分量;ω为浮标震荡的圆频率㊂1.3 幅值响应算子(R A O )浮体运动幅值响应算子(R e s p o n s eA m p l i t u d eO pe r a t o r s ,R A O )是由波浪激励到浮体运动的传递函数,指浮体对应自由度运动幅值与波幅的比,表明在线性波浪作用下浮体的运动响应特征㊂以浮标的横摇运动为例,横摇R A O (R A O r o l l )为浮体在单位波幅规则波作用下关于波浪频率的横摇运动幅值函数[20-21],计算公式为138海洋科学进展39卷R A O r o l l=θxξa=D A F r o l lω2g57.3s i nβ,(3)式中,θx为浮体横摇运动幅值;ξa为入射波波幅,即规则波单位波幅;g为重力加速度;D A F r o l l为横摇运动方程得到的动力放大系数;ω为入射波圆频率;β为入射波角度㊂2水动力分析A QWA(A d v a n c e dQ u a n t i t a t i v eW a v eA n a l y s i s)软件可解决浮体在环境载荷下的运动响应,在频域内的水动力分析可求解浮体的附加质量㊁附加阻尼㊁一阶波浪力和幅值响应算子等,其理论之一为三维势流辐射-绕射理论,可用于本文浮标频域仿真,计算和输出相应的水动力结果[22-25]㊂2.1浮标参数及建模采用直径3m的小型海洋资料浮标作为国产传感器深远海试验平台,该种型号的浮标具备造价低㊁承载能力强㊁易于运输和布放等优点㊂利用三维制图软件S o l i d W o r k s设计了浮标的上架㊁浮体和下架的并将三者进行了装配,通过软件统计了浮标的设计参数(表1)㊂设计的浮标体上架和下架结构复杂不规则,为了提高A QWA软件对浮标进行水动力分析时的运行速度,在该软件里进行浮标建模时综合考虑浮标上架和下架的外形尺寸㊁受力投影面积和受力作用点等因素对浮标上架和下架进行简化㊂将浮标简化后的三维图导入A QWA后,首先进行水线切割,然后按照浮标设计参数设置全局变量和浮体的质量信息,最后考虑到频域计算时程序允许的频率范围和计算精度,按照0.3m的网格大小对浮体进行网格划分以完成浮标建模㊂浮标设计图与浮标网格划分结果如图1所示㊂浮标在海水中沿着3个坐标的平移和绕着3个坐标轴的转动,表1浮标主要参数图1浮标设计与浮标建模网格划分F i g.1 T h eb u o y d e s i g na n dm e s ho f t h eb u o y m o d e l1期梁冠辉,等:应用于海洋物性监测仪的小型浮标水动力分析139共有6个自由度的运动,分别称为横荡㊁纵荡㊁垂荡㊁横摇㊁纵摇以及艏摇,坐标原点为浮标重心㊂由于浮标几乎左右对称,所以仅研究浮标横荡㊁横摇㊁垂荡和艏摇四个自由度的运动特征即可㊂浮标在海水中沿着X, Y,Z三个坐标的平移和绕着3个坐标轴的转动,共有横荡㊁纵荡㊁垂荡和横摇㊁纵摇以及艏摇六个自由度的运动,坐标原点为浮标重心㊂由于浮标几乎左右对称,所以水平方向仅研究浮标横荡和横摇运动;浮标的艏摇运动受波浪影响较小,因此在垂向上研究浮标的垂荡运动㊂2.2环境边界条件2.2.1工作海域环境参数国产海洋气象水文传感器的深远海试验拟在我国南海开展,浮标设计与水动力计算时既要考虑南海海域常见的环境参数,也要考虑浮标运行时可能遇到的最恶劣环境㊂本文参考海洋行业标准‘小型海洋资料浮标“[25](H Y/T143 2011)和‘海洋资料浮标原理与工程“[26]对于浮标极限生存环境参数的要求,结合南海的实际海况,提出海洋物性监测仪浮标平台的试验海域极限环境参数如表2所示㊂表2浮标试验海域极限环境参数注:空白处无数据2.2.2风载荷风载荷主要作用位置为浮标上架安装的太阳能电池板和传感器以及浮体露出水面的部分,风载荷的大小取决于浮标受风部分的投影面积和等效形状㊁风力作用点的高度以及相应高度下的风速[28],计算公式如下:F w=12ρC h C s A w V2h,(4)式中,F w为风载荷,ρ为海面空气密度(1.29k g/m3),A w为受风部分的投影面积,C h为风力高度系数,查表取C h=1[29],C s为受风部分的风力形状系数,查表取C s=0.5,V h为高度h处对应的平均风速㊂2.2.3流载荷海流因素同样是海洋浮标设计计算中的重要环境因素之一,海流对浮标主要影响表现为拖曳力[29],海流载荷的计算公式为F c=12ρC d A c V2c,(5)式中,F c为海流载荷;ρ为海水密度(1025k g/m3);C d为海水拖曳力系数,C d=1.6[30];A c为浮标海流载荷受力投影面积;V c为海流流速㊂2.2.4波浪谱参数设置对浮标进行水动力分析时需选择合适的波浪谱,波浪经研究和观测被认为是一个广义的随机平稳过程,运用统计学方法可以用波浪谱的形式进行描述,波浪谱是波浪能量随不同频率(波数)㊁方向的分布[31-33]㊂A QWA中内置了J O N S WA P谱和P-M谱算法㊂与P-M谱相比,J O N S WA P谱是在中等风况和有限风距的条件下测量修正得的,使用经验表明,J O N S WA P谱是一种更普遍的波浪谱形式,可以适用于不同形成阶段的风浪[34-37],因此本文计算浮标水动力采用J O N S WA P谱,在软件中通过设置最低频率㊁最高计算频率㊁需计算的波浪方向和波浪方向间隔等参数完成波浪谱的配置,软件中以X轴为波浪正方向,沿逆时针方140海洋科学进展39卷向计算㊂在输出浮标表面压力和运动参数等结果时,可通过设置波浪的有效波高来输出不同能量波浪对浮标水动力特性产生的影响㊂2.3水动力计算结果2.3.1阻尼修正三维势流理论的基本假设为流场中流体具备无旋㊁无黏和不可压缩的特点,因此使用A QWA软件对浮标进行水动力计算时会忽略海水黏性对浮标运动时产生的附加阻尼等影响,从而降低了水动力计算结果的准确性㊂因此,为了更准确地计算浮标的水动力性能,必须对三维势流理论的计算阻尼进行修正[38-39],即在参数设置时添加阻尼系数,以横摇运动为例,浮标单自由度运动临界阻尼计算公式为D=2(I x x+ΔI x x)K R,(6)式中,D为临界阻尼,I x x为横摇方向惯性矩,ΔI x x为附加质量惯性矩,K R为横摇方向刚度㊂附加质量惯性矩与横摇方向刚度可从静水计算结果中提取㊂2.3.2一阶波浪力计算浮标受的一阶波浪力时,选择波浪的入射方向为R X方向,分别统计沿着波浪入射方向(R X方向)㊁垂直波浪入射方向(R Y方向)和垂向(Z方向)的计算结果(图2)㊂在所有波浪入射方向中浮标沿着波浪入射方向受的一阶波浪力最大,垂直波浪入射方向浮标受的一阶波浪力最小㊂图2浮标各个方向波浪力F i g.2 W a v e f o r c e s i na l l d i r e c t i o n s o f b u o y sR X方向受到的一阶波浪力随着波浪频率的增加呈现先增大后减小的趋势;R Y方向受到的一阶波浪力与R X方向相差5个数量级,说明垂直波浪入射方向产生的波浪力几乎对浮标没有影响,在水平方向上随着与波浪入射方向夹角增大,一阶波浪力对浮标的影响逐渐减小;Z方向上的波浪力随着波浪频率的增大而逐渐减小㊂布放海域的波浪频率集中在0.02~0.33H z范围内,该频率范围内R X方向每单位有义波高的波浪力最大值为14421.07N,并未达到整个频谱范围内的最大值,没有倾覆的危险;Z方向上的波浪力在波浪频率集中范围内的每单位有义波高的波浪力最大值为:70791.25N,通过该值可选择合适破断力的锚系,防止浮标出现断锚㊁走锚的危险㊂2.3.3附加质量和附加阻尼附加质量和附加阻尼是浮标强迫简谐运动的稳态水动力和力矩,是由浮标在海水中强迫运动引起海水振荡并在浮标表面产生压力引起的㊂附加质量反映了浮标在海水表面做摇荡运动迫使浮标周围海水动量发生变化而对浮标产生的反作用力㊂附加阻尼是由于浮标在海水表面受波浪力进行运动后,在浮标周围生成向外扩散的辐射波以海水阻尼的形式反作用于浮体㊂1期梁冠辉,等:应用于海洋物性监测仪的小型浮标水动力分析141根据浮标的外形特点和浮标工作时的受力分布,选择横荡(X 方向)㊁横摇(R X 方向)和垂荡(Z 方向),并分别统计附加质量和附加阻尼的计算结果(图3和图4)㊂由图3和图4可见,浮标在海水中各个方向附加质量和附加阻尼随着波浪频率的变化曲线,各个方向附加质量随着波浪的频率增加略有增加后平缓减小,其作用主要体现在低频波浪时;附加阻尼在X 方向和R X 方向主要作用于高频波浪时,Z 方向上随波浪频率增加先增大后减小,作用频带较窄㊂综上,浮标在各个主要方向上受到的附加质量和附加阻尼随波浪频率变化平缓㊁幅值合理,说明设计的浮标在海洋中工作时受到的附加质量和附加阻尼会对浮标的运动产生一定的抑制作用,但是不会对浮标运行时的水动力性能产生过度的影响㊂图3 浮标各个方向附加质量F i g .3 A d dm a s s o f t h eb u o yi n t h r e e d i r e c t i o n s 图4 浮标各个方向附加阻尼F i g .4 R o t a t i o nd a m p i n g o f t h eb u o yi n t h r e e d i r e c t i o n s 2.3.4 R A O图5为浮标水平方向和垂向的R A O 值随波浪频率变化曲线,水平方向选取了横摇和横荡两个方向,垂向选择的垂荡方向,浮标垂向基本左右对称,故不考虑浮标艏摇R A O ㊂当入射波与横摇方向垂直时,横摇方向上的R A O 值最大,所以统计R X 方向R A O 值时设置入射波方向为90ʎ;当入射波与横荡方向相同时,横荡方向上的R A O 值最大,所以统计X 方向R A O 值时设置入射波方向为0ʎ;Z 方向R A O 值与波浪入射方向无关㊂图5 浮标横摇㊁横荡和垂荡R A OF i g .5 R o l l ,s w a y i n g a n dh e a v e R A O o f t h eb u o y142海洋科学进展39卷在横摇方向上,R A O值随着波浪频率的增大先增大后减小,主要响应频率范围为0.19~0.67H z,最大值出现在波浪频率为0.37H z处,最大幅值为20.45ʎ/m,其他频率范围内均幅值较小且变化平缓;X方向的R A O值基本随着波浪频率增大而平缓减小,且幅值合理;Z方向的R A O值在0.49H z处出现一个小幅度的增大后也逐渐减小,但部分曲线存在小幅值奇点,说明浮标下架结果还存在改进之处㊂从3个运动自由度的R A O值随波浪频率的变化趋势和幅值极值等统计信息可以看出该浮标在各个方向上的结构设计较为合理,能够保证海洋中的浮标遇到不同频率的波浪时产生符合预期的运动响应㊂3结语本文以三维势流理论和波浪辐射-绕射理论为基础,综合考虑相关浮标设计标准的要求和项目示范试验海域的海况,使用A QWA软件对设计的3m海洋资料浮标的水动力性能进行了频域分析,选取浮标运行时具有代表性的运动自由度方向,仿真和统计了各个方向上浮标的一阶波浪力㊁附加质量㊁附加阻尼和幅值响应算子随波浪频率的变化曲线㊂分析一阶波浪力㊁附加质量和附加阻尼的曲线可知,浮标受到的一阶波浪力随着波浪频率变化较为平缓,各个受力方向上未出现受力激增的情况㊂浮标受到的附加质量力和阻尼力幅值合理,在一定程度增加了浮标的稳定性㊂在幅值加应算子响应分析中发现,浮标在工作时垂荡和横摇方向耐波性良好,工作时不会随波高的变化发生较大位移㊂以上计算结果的曲线变化率和幅值极值等统计特性表明,设计的浮标在波浪频率范围内受力合理,运动响应符合设计要求,具备足够的耐波性,能够稳定可靠的完成项目示范试验㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1] L IH Z,J I A WJ,R E N W,e t a l.O c e a n o b s e r v a t i o nw i t h p h y s i c a l o c e a n o g r a 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o f t h e d o m e s t i cm e t e o-r o l o g i c a l a n d h y d r o l o g i c a l s e n s o r s.I t i s p l a n n e d t o c a r r y o u t t h e a p p l i c a t i o n t e s t o f a l l t h e s e n s o r s i n t h e s e a a r e aw i t h a d e p t h o fm o r e t h a n2000m.T h e e n v i r o n m e n t a l s t a t i s t i c s o f t h e s e a a r e aw h e r e t h e b u o y w i l l b e d e p l o y e d,s u c ha sw a v eh e i g h t,w a v e p e r i o d,m a x i m u m w i n ds p e e da n ds u r f a c ev e l o c i t y,a r e p r o p o s e d. T h e d e s i g n p a r a m e t e r s o f t h e b u o y,s u c h a sm a s s,c e n t e r o f g r a v i t y,d r a f t,p r o j e c t i o n a r e a o f t h e e x t e r n a l f o r c e a n dm o m e n t o f i n e r t i a,a r e c a l c u l a t e d.T h e h y d r o d y n a m i c c a l c u l a t i o no f t h e b u o y i s c a r r i e do u t i n t h e f r e q u e n c y d o m a i nb y u s i n g A QWAs o f t w a r e b a s e d o n t h e t h r e e-d i m e n s i o n a l p o t e n t i a l f l o wt h e o r y a n dw a v e r a d i a t i o n-d i f f r a c t i o n t h e o r y,t h e f i r s t-o r d e rw a v e f o r c e,a d d i t i o n a lm a s s,a d d i t i o n a l d a m p i n g a n d r e s p o n s e a m p l i t u d e o p e r a t o r s o f t h eb u o y a r e s i m u l a t e d.T h e b u o y d e s i g n s c h e m e i s o p t i m i z e db y t h e s i m u l a t i o n r e-s u l t s.T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s o f t h e o p t i m i z e db u o y c h a n g e s m o o t h l y w i t h t h ew a v e f r e q u e n c y,T h e a m p l i-t u d e i s r e a s o n a b l e a n d t h e r e i s n os i n g u l a r i t y i n i t,t h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e r e i sn oo b v i o u s r e s o n a n c e b e t w e e n t h eb u o y a n d t h ew a v e s i n t h ew o r k i n g s e a a r e a,a n d t h e b u o y h a s e n o u g hb e a r i n g c a p a c i t y f o r t h e e n v i r o n m e n t a l l o a d.T h e s c h e m e c a nb eu s e d i n t h e d e v e l o p m e n t o f b u o y.K e y w o r d s:b u o y;p o t e n t i a l f l o w;h y d r o d y n a m i c;f r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i s;s e a k e e p i n gR e c e i v e d:S e p t e m b e r3,2019。

圆筒浮标式波浪发电装置的共振系统分析

会因为系统阻尼而衰减，它的振幅和相角与运动初始条件无关，
强迫振动的稳态解为振动系统的特解。设它的特解为 y=A sin（棕t-
姨渍），令频率比
酌=
棕棕0
，阻尼比
灼越
啄 2棕
，得 A a
=
1+（2灼酌）2 ，（1-酌2）2 +（2灼酌）2
3
tan渍=
封结构，结构如图 1 所示。圆筒采用镍铬钼材料，能够有效的防止装置内部结构被海水侵蚀，提高装置使用寿命。波浪发电装置漂浮于海面上通过瞄链固定在海底，系统利用海浪摇动起伏浮标筒体，破坏了整体弹性结构的力平衡，球形平衡锤依靠惯性带动发电单元连杆摆动，驱动永磁电机的轴转动发电，经整流器变直流电，通过蓄电瓶存储，再通过交流逆变器变成交流电。
粤遭泽贼则葬糟贼：The variation of the amplitude of the cylindrical buoy-type wave power generator when the disturbance frequency changes is analyzed.By establishing the free vibration differential equation of the resonance system and the vibration equation under the displacement excitation of the buoy and finding the steady state solution of the resonance system.Finally，the resonance system parameters are determined and the resonance system is simulated.The results show that the vibration equation can be solved by the differential equation of free vibration and the displacement excitation of the buoy.A ccording to the amplitude and resonance theory of the hammer，the spring coefficient of elasticity k=26.40N/mm and the system damping coefficient c=37.83 are calculated.Through the matlab simulation analysis，can clearly get the amplitude of the hammer with the changes in the frequency of the disturbance，Therefore，it is possible to change the natural frequency of the power generating mechanism to be equal to or close to the natural frequency of the wave by reasonably designing and influencing the parameter so that the resonance of the trap device greatly enhances the driving performance thereof，thereby improving the power generation efficiency. Key Words：Wave Power Plant；Resonance System；Differential Equations；Natural Frequency

“白龙”浮标标体设计及动力学分析.

The Design of Buoy Body “Bai Long” and its Dynamics Analysis
Candidate: Sun Chen Supervisor: Prof. Chen Zhiping
Research associate prof.Ning Chunlin
March, 2014
最后，作者对所研制的“白龙”浮标样机进行了装调及近海测试，并成功布放到 3000m 水深站位。处理分析浮标测得的大量数据后发现，“白龙”各系统和标体结构总体满足实际工作需求，但仍有部分细节需要改善，为此，提出了进一步研究浮标结构力学性能的改进方法。
本文对“白龙”浮标所做的设计计算、仿真分析及实验验证成果对研究小型深海资料浮标具有参考价值，也为在实际工程中研发其他浮标积累了经验。
本文以孟加拉湾安达曼海 3000m 水深的小型深海资料浮标-“白龙”为研究对象，通过浮标设计、仿真分析及实验测试等手段，完成一款性能较为理想的深海浮标的研制工作。
作者在查阅大量文献资料的基础上确定了“白龙”浮标实际工作海况，从而设计了以数据采集系统、数据通讯系统、电源系统及控制系统为代表的标体各有效载荷方案。根据类半球形、类圆锥形、圆柱形标体的水动性能差异，确定标体为类半球形结构，进而完成标体上其他各部件的设计工作。通过有限元静力学计算表明，标体在稳距、大倾角稳性、和静稳性角等方面均表现良好；而动力学分析结果显示：浮标垂荡频率为 3.15rad/s，横摇频率为 2.99rad/s，很好地避开了海洋谱主能频率范围。依据浮标布放及回收中的特殊要求，设计了单点定锚的绷紧式系泊方案。
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
论文作者签名：
日期：年月日

内波观测浮标水动力性能分析与实验研究

内波观测浮标水动力性能分析与实验研究
连伟琪;吴俊飞;宋奕萱;曲志平
【期刊名称】《机械设计与制造工程》
【年(卷),期】2024(53)1
【摘要】内波观测浮标的横摇和纵摇是影响海流观测设备声学多普勒流速剖面仪(ADCP)观测有效性的重要参数。

针对所设计的浮标,采用AQWA软件,分析比较了在不同外界载荷下,浮标的横摇和纵摇变化情况。

结果表明:在1 m浪高的规律波浪下,周期为4~16 s时,浮标的横摇和纵摇角度均满足仪器有效观测的要求,周期为
1~3 s时,浮标会产生较大的横摇和纵摇角度;在不规律波浪下,当波浪高度小于4 m 时,浮标运动的有义值都满足要求,当波浪高度大于等于5 m时,浮标的横摇或纵摇角度会超过20°。

在南海进行的内波观测实验表明,横摇和纵摇角度均满足有效观测的要求,证明模拟是准确的。

【总页数】6页(P115-120)
【作者】连伟琪;吴俊飞;宋奕萱;曲志平
【作者单位】青岛科技大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U671.99
【相关文献】
1.基于AQWA的波浪观测浮标随波性能分析与优化研究
2.波能装置浮子选型及水动力性能分析
3.FPSO内孤立波载荷实验观测及理论预报模型研究
4.柱形内波观测浮标的设计与稳定性分析
5.新型穿浪式浮标的水动力性能分析
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声呐浮标空中运动曲线计算分析

ｄＯ
—
—
：
—
ｇｏｓｃＯ
—
（
１２）
ｄｔ
＇，
结合式（）、（２６１），声呐浮标空中运动可用如下方程组表示：
ｊ：ｉ一Ｓ２ｌ苫 —— ：ｎｐ —ｇＣｖｄｄ —ｓｖ
ｌｄｇＣＳＯ０
…
）
图３声呐浮标空中姿态角度曲线（算例１）
＝曲线进行理论１ —２
Ｇ
１
ｒ－￣／／Ｗ／＇／／．／
图１声呐浮标空中运动示意
ｌ声呐浮标空中运动模型
声呐浮标由飞机带速空投，浮标出舱后约１Ｓ降落伞打开。降落伞打开后，在不考虑风速影响的情况下，声呐浮标受重力Ｇ和阻力共同作用，
减速作用下能以安全速度和姿态入水。
关键词声呐浮标；空中速度；空中姿态；运动曲线
反潜作战中，声呐浮标一般通过固定翼飞机和
直升机空投部署，为减小浮标入水冲击力、提高浮标投放成活率，在声呐浮标组成中，一般都设计有空中减速装置。声呐浮标空中减速主要有两种方式，分别是降落伞减速和浮标漂浮气囊减速。从实
阻力系数；为声呐浮标截面积；为降落伞阻力面积；Ｐ为空气密度，一般为１２ｇｍ３．５ｋ／；ｍ是声２
呐浮标质量。
ｄｔ＝ｍｄｖ
（）７
相比降落伞产生的阻力，声呐浮标在运动中产生的形状阻力可以忽略不计，因此式（）又可简２

拖曳式浮标海面尾迹图像仿真研究

拖曳式浮标海面尾迹图像仿真研究一、绪论A. 研究背景与意义B. 国内外研究现状C. 研究内容和方法D. 论文的结构和安排二、浮标海面轨迹模拟原理A. 浮标海面尾迹的数学表达式B. 拖曳式浮标传感器的工作原理C. 模拟浮标运动的数学模型三、仿真实验设计与实现A. 实验流程概述B. 仿真软件及其使用C. 实验参数设定及预处理D. 浮标海面尾迹图像仿真实验四、仿真实验结果分析A. 海面风浪状况下的仿真结果B. 浮标运动参数对尾迹图像的影响分析C. 模拟与实际尾迹图像的比对分析五、总结与展望A. 工作总结B. 不足与展望C. 对未来拖曳式浮标海洋监测的启示一、绪论A. 研究背景与意义海洋是地球上最广阔的领域之一，其中包括海水、海洋生物和海洋底质，具有十分丰富的生态资源。

海洋的庞大面积和复杂性质使得其监测变得异常重要。

浮标是海洋监测领域中十分重要的工具之一，通过对海洋环境的多种参数进行抽样和监测，可以帮助人们了解海洋生态系统的演变规律，为科学研究和资源开发提供参考。

拖曳式浮标是一种常见的海洋监测工具，其能够利用风荷载和海流，实现运动和位置的变化，借以完成水深探测、水体成分分析和环境监测等相关任务。

拖曳式浮标的监测效率与结果精准度直接关系到海洋研究的成败。

近几年，随着科技的进步和应用的广泛，浮标的监测数据越来越丰富，监测精度得到了大幅度提高。

浮标海面尾迹图像是拖曳式浮标监测数据中最为重要的一种数据形式，其记录了浮标在海洋风浪作用下产生的运动轨迹，反映了浮标周围海洋环境的特征，对海洋环境的评估和分析都有着重要的意义。

B. 国内外研究现状国内外学者在拖曳式浮标海面尾迹图像仿真研究方面进行了很多有益的尝试。

2013年，Liu等人[1]针对海面水文数据的莫项分析算法（MEM）进行了分析，以确定浮标的纵向振动特征，对其海洋监测结果进行了分析。

2016年，某学者[2]主要对拖曳式浮标风速传感器使用误差进行了测定，对其监测结果进行了研究与比较。

211089201_垂直圆柱形点吸式波浪能发电装置数值模拟

0 引言随着社会的发展和科技的进步，人们对可再生能源的关注度不断提高。

波浪能具有高度时空不确定性，同时受波高、周期以及波向等参数的影响，对不同的海域来说，其最优的波能装置也可能不同[1]。

根据捕获波能的方式进行分类，可以将波能装置分为振荡体式、振荡水柱式和越浪式[2]。

与其他类型相比，点吸式波浪能收集装置具有可用于离岸深海、转化效率高、可通过排列许多浮标实现扩展以及可以从各个方向吸收能量的特性。

随着计算机硬件的发展，计算流体力学（CFD ）技术开始在波浪能装置的数值模拟研究中应用。

但是CFD 技术在点吸式波浪能装置研究中的应用偏少[3]。

该文在自主开发的大型黏性三维CFD 模型的基础上，基于发电机是与集中式直流电源总线相接的三相永磁同步电机的假设，建立了点吸式波浪能收集装置数值模型。

对规则波作用下的垂直浮筒点吸式波浪能发电装置进行数值模拟研究，得到了浮筒响应特性及能量转化特性，数值模拟结果与试验结果吻合良好。

1 数值模型数值模型的细节见文献[4]。

1.1 控制方程模型的控制方程为不可压黏性N-S 方程，如公式（1）、公式（2）所示。

w w u x ii0 （1）w w w w w w w w u t u u x p x x f i j i j i ijjVBF i 11U U W （2）式中：i 、j 为三维直角坐标系，i 、j =1，2，3；u i 、u j 为速度矢量的分量；ρ为流体密度；p 为压力；（f VBF ）i 为虚拟边界力的分量；τij 为黏性应力张量， τij =2ρvS ij ；v 为流体运动黏度； S ij 为流动的局部应变率，S u x u x ij i j j i w w §©¨¨·¹¸¸12；x i 、x j 分别为三维笛卡尔坐标一、三维笛卡尔坐标二；t 为时间。

采用有限差分法（FDM ）对控制方程进行离散求解，使用流体体积法（VOF ）捕捉自由面，采用虚拟边界力法（VBF ）实现流体与结构之间的相互耦合作用。

被动声纳浮标目标运动分析及其仿真计算

是第 i 个浮标 j 时刻在 y 轴上的位置分量。
假定 m 个浮标静止时(即方位确定)，即
⎪⎧xij = xi
⎨ ⎪⎩
yij
=
yi
由于目标不动所以(1)式可以化简为
（2）
βi
=
arctg
x y
− −
xi yi
(i = 1,L, m)
（3）
我们的目标运动分析问题即为：怎样利用 m 个
被动声纳浮标对固定目标同步量测的方位估计目标
2
(x
2
,
y
2
)
x
图 2 两个声纳浮标确定性计算
2.2 线性最小二乘法应用当声纳浮标多于 2 个时，取方位量测误差引起
的误差方位平方和最小，在各声纳浮标同步量测的情况下，使用线性最小二乘法，将式(3)重新整理得
cos βi x − sin βi y = cos βi xi − sin βi yi 对下式求极小：
被动定向声纳浮标，只能测向，不能定位，我们将研究被动定向声纳浮标对固定目标、匀速直线运动目标的运动分析。
2 被动声纳浮标固定目标运动分析[1]
收稿日期：2006-05-23
修回日期：2006-07-12
作者简介：陆光宇（1979-），男，辽宁锦州人，参谋，
研究方向为海军信息系统。
董志荣（1937-），男，研究员，博士生导师。
Fi (xi , yi ), (i = 1,2,L, m) 坐标已知，显然浮标坐标与
量测有如下关系：
β ij
= arctg
x − xij y − yij
(i = 1,L, m；j = 1,2,L, n) （1）
其中： βij 是第 i 个浮标的第 j 个时刻目标的量测方

圆柱形浮标运动分析与仿真

ｃｌｔｄｕａｅ．Ｅｐｒｎｓｄｔｇｅｔｈｏｕａｉｎａｄｔｅｍｏｅｓｖｌｉｒｒｖｄｘｅｍｅｔａａａｒｅｗｉｔｅｃｍｐｔｔｎｈｄｌａｉｔａｅｐｏｅ．Ｔｈｎｕｎｅｆｇａｉｉｈｏｄｙｅｉｆｅｃｓｏｖｔｌｒｙａｄｓｒｃｕｅｄｓｇｉｅｔｈｕｙｍｏｉｎａｅｄｓｕｓｄｎｔｅｓｌｔｎ，ａｅｎｆｒｈｒｃｍｍｕｉａｉｎ，ｃｌ－ｎｔｕｔｒｅｉｎｓｚｏｔｅｂｏｔｒｉｃｓｅ．Ｉｈｉａｉｏｍｕｏｂｓｄｏｔｅｏｕｎｃｔｏｙｉｎｄｉａｕｙｄｓｇｅｏｒｌｏｅｉｎｒｃｍｍｅｄｔｎｅｅｇｖｎｆｒｉｒｖｍｅｔｗｉｈｗｉｍｐｏｅｔｅｓｉｔｆｃｌｄｃｌｂｏｓｃｂｎａｉｓｗｒｉｅｍｐｏｅｎｈｃｌｉｒｖｈｔｌｙｏｙｉｒａｕｙｏｏｌｂａｉｎｉ
第２卷第６７期
文章编号：０６—９４（００００６１０３８２１）６— ３３—０５
计算Leabharlann 机仿真２１年６００月
圆柱形浮标运动分析与仿真
曲少春，郑琨，王英民
（西北工业大学航海学院，陕西西安７０７）１０２摘要：圆柱型浮标通常作为海洋监测设备的稳定工作平台，对波浪激励下浮标的升沉运动位移和横摇角度会影响空中无线
ＱｈｏｈｎＺＥＧＫｎＷＡＧＹｎｕＳａ —ｃｕ，ＨＮｕ，Ｎｉｇ—ｍｎｉ

尾筒封闭的柱式灯浮标稳定性仿真与试验分析

尾筒封闭的柱式灯浮标稳定性仿真与试验分析◎ 张永辉交通运输部南海航海保障中心广州航标处摘要：针对尾筒封闭的柱式灯浮标的稳定性问题，立尾筒封闭的柱式灯浮标的有限元模型，对浮标进行频域下的稳定性仿真分析，得到尾筒封闭的柱式灯浮标在不同风力环境下的最大摇摆角；再应用VG200垂直陀螺仪传感器对浮标的稳定性进行试验分析，并通过试验分析结果对仿真分析结果进行验证。

关键词：灯浮标稳定性仿真分析试验分析由于钢质柱式灯浮标的结构对称制造方便，成本低，在我国的诸港口航道上已作为常规助航设施使用。

本文分别应用仿真方法和试验方法对尾筒底部封闭的柱式灯浮标的稳定性问题进行分析，从而为尾筒底部封闭的柱式灯浮标稳定性分析提供一个有效、可靠的方法。

1.仿真分析本研究采用S E S A M软件中的GeniE板块、HydroD板块、DeepC 板块、X t r a c t板块等独立板块。

将G e n i E板块建好的模型导入到HydroD板块中，设定海洋环境，如波浪高度，波浪周期，风速，波浪入射角度等，然后分别使用Wadam和Wasim Wizard进行稳定性分析和频域分析。

使用Postresp板块对分析结果进行后处理，使仿真分析的结果以图表的形式显示出来。

1.1 浮标有限元模型的建立考虑到浮标尾筒和浮体结构相对简单对称，故在建立浮标有限元模型的时候对灯架利用等效的思想对灯架进行结构简化，考虑到计算精度以及计算速度的问题，选取0.1m的网格对浮标进行离散化，并添加浮标的材料属性以及设置浮标的势表面等参数，求解生成得到浮标的有限元模型。

1.2 浮标动力学模型的建立在线性理论中，流体运动的速度势是入射波速度势、绕射速度势以及辐射速度势之和的线性叠加，物体在波浪的作用下的浮标的运动问题是一个综合的问题。

为了更好的描述浮标在波浪下的运动，本文将浮标简化成具有六个自由度的刚体运动如图1所示，继而浮标的运动将用浮标质心的运动代替，从而描述质心处六个自由度的位移列阵假设为U=[u1 u2 u3 u4u5 u6]T，其中u1、u2和u3分别表示为浮标的纵荡、横荡和垂荡；其中u4、u5和u6分别表示为浮标的横摇、纵摇和垂摇的角度，此处将只考虑浮标的横摇运动。

波浪作用下圆柱型浮标运动仿真方法对比研究

波浪作用下圆柱型浮标运动仿真方法对比研究杨壮滔;张涛;段浩;朱敏;邵永勇【期刊名称】《鱼雷技术》【年(卷),期】2018(026)004【摘要】为研究圆柱型浮标在波浪作用下的运动响应,分别采用基于势流理论和数值波浪水槽的浮标运动仿真方法对同一浮标模型进行仿真,并与试验结果进行对比.结果表明,对于垂荡运动,2种方法的求解精度均较高.对于纵摇运动,基于势流理论的方法预报规律趋势正确但定量误差较大,其优点是所需计算资源较少,可用于方案初步设计;基于数值波浪水槽的方法求解精度较高,但所需计算资源较多,能够指导浮标精细化设计.【总页数】7页(P291-297)【作者】杨壮滔;张涛;段浩;朱敏;邵永勇【作者单位】中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部,云南昆明,650118;中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部,云南昆明,650118;中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部,云南昆明,650118;中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部,云南昆明,650118;中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部,云南昆明,650118【正文语种】中文【中图分类】TJ67;TV131.2;TP391.99【相关文献】1.隧道盾构下穿车站出入口仿真方法对比研究 [J], 钱双彬;董军;李玲2.基于三维有限元流固耦合算法研究浮标在波浪作用下的动力响应 [J], 王政平;袁殷;司徒果雄;朱绍伟3.基于三维有限元流固耦合算法研究浮标在波浪作用下的动力响应 [J], 王政平;4.波浪作用下圆柱型浮标运动仿真方法对比研究 [J], 杨壮滔;张涛;段浩;朱敏;邵永勇;;;;;5.波浪作用下软体浮囊动态响应仿真方法研究 [J], 陈向东;金先龙;李政因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

波浪能供电观测浮标防腐方案设计及仿真

波浪能供电观测浮标防腐方案设计及仿真
张亚群;李显豪;盛松伟;王坤林;黄圳鑫;高桂飞
【期刊名称】《太阳能学报》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】针对波浪能供电观测浮标的结构组成,分析其工作原理、运动特性、各系统处的海洋腐蚀环境,将浮标划分成多个海洋污损区域。

基于目前的防腐方法和浮标复杂的海洋腐蚀环境,综合考虑成本及施工时效性,提出一种防腐油漆涂层加阴极保护双组合的防腐方法,并进行外加电流阴极保护防腐系统及关键参数的设计。

通过数值模拟,确定该系统布置在浮标主浮体侧面可实现较好的防腐效果。

最后,提出两种防腐系统位置布置方案。

【总页数】5页(P213-217)
【作者】张亚群;李显豪;盛松伟;王坤林;黄圳鑫;高桂飞
【作者单位】中国科学院广州能源研究所;中国科学院可再生能源重点实验室;中国科学技术大学能源科学与技术学院;青岛雅合科技发展有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG174
【相关文献】
1.基于AQWA的波浪观测浮标随波性能分析与优化研究
2.浮标自动波浪观测仪器在工程中的应用
3.漂流式波浪浮标及其在西北太平洋的观测应用
4.四浮子周向均布波浪能供电浮标的设计与试验
5.创新达人的进阶路
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