惯性技术视角下动态重力测量技术评述(二):不同的惯性平台

动态重力测量技术是惯性技术的一种典型应用。作为动态重力测量系统不可或缺的一部分,稳定平台的功能是提供一种能够隔离载体动态、实时跟踪参考系的物理装置,或提供载体相对于参考系姿态信息的软件算法。当前大多数的稳定平台,都是基于惯性元件构建的,可称之为惯性平台。从稳定平台的角度对几种常见重力仪进行分类,对采用四种类型惯性平台的重力仪进行较详细的分析和评述,即双轴阻尼陀螺稳定平台、捷联方位双轴惯导平台、三轴惯导平台和捷联惯导平台。     

热带气旋过程中的近惯性振荡解及频散关系

基于简单的Slab模式,建立了热带气旋过程中上层海洋近惯性流与风应力之间的定量关系。在此基础上推导出了近惯性振荡在海面能量输入通量及在温跃层内能量耗散表达式,揭示了近惯性流在大尺度准地转流场作用下的频散关系。研究表明:上混合层近惯性流的产生是局地风应力直接作用的结果。海洋因其层化效应存在相应的斜压正交模,当风应力频率与海洋内部固有的斜压模态相近时,二者共振产生近惯性振荡。而当海面输入近惯性能量大于其在上混合层能量损耗的水深平均值时,近惯性振荡处于增长阶段,反之则处于衰减阶段。大尺度准地转流的作用是对近惯性振荡流产生频移效应,而对近惯性流的能量耗散没有贡献。     

高桩码头地震惯性力计算

本文采用弹性柱(桩)支承空间刚体(码头上部结构分段)的力学模型,分析高桩码头的自由振动特性,并按反应谱方法给出计算水平地震惯性力和惯性扭矩的解析表达式。最后结合例题指出惯性扭矩的作用不容忽视。     

台风“康森”产生的海洋近惯性能量的数值模拟研究

文章利用经验台风风场模型(TCWPM)和美国环境预测中心的气候预测系统再分析风场资料(NCEP/CFSR)对台风"康森(Conson)"进行数值模拟,并将模拟的台风带入平板模式(slab model)模拟台风产生的海洋近惯性流。对比实测数据表明,模拟结果与真实风场、近惯性流场均比较一致,台风"康森"在近海面的风场不对称结构非常明显,台风中心两侧的速度大小相差可达10m·s~(–1)。台风"康森"在台风中心后方产生强烈的海洋近惯性振荡,且持续时间超过4d。海洋近惯性动能沿着台风路径呈显著的不对称分布,表明台风"康森"在共振作用下主要在路径右侧激发强烈的近惯性振荡。研究不同强度的热带气旋产生的海洋近惯性能量,发现热带风暴产生的海洋近惯性能量较小,平均近惯性动能不超过35J·m~(–3)。随着气旋强度的增大,热带气旋激发的近惯性能量呈指数增长,而台风的影响面积与最大风速半径的变化相对比较一致,当最大风速半径(R0)增大一半(1.5R0)时,其产生的最大平均近惯性动能从81J·m~(–3)增大到631J·m~(–3),影响面积从大约600km~2增加到大于900km~2。     

台风“康森”产生的海洋近惯性能量的数值模拟研究

文章利用经验台风风场模型(TCWPM)和美国环境预测中心的气候预测系统再分析风场资料(NCEP/CFSR)对台风“康森(Conson)”进行数值模拟, 并将模拟的台风带入平板模式(slab model)模拟台风产生的海洋近惯性流。对比实测数据表明, 模拟结果与真实风场、近惯性流场均比较一致, 台风“康森”在近海面的风场不对称结构非常明显, 台风中心两侧的速度大小相差可达10m·s^-1。台风“康森”在台风中心后方产生强烈的海洋近惯性振荡, 且持续时间超过4d。海洋近惯性动能沿着台风路径呈显著的不对称分布, 表明台风“康森”在共振作用下主要在路径右侧激发强烈的近惯性振荡。研究不同强度的热带气旋产生的海洋近惯性能量, 发现热带风暴产生的海洋近惯性能量较小, 平均近惯性动能不超过35J·m^-3。随着气旋强度的增大, 热带气旋激发的近惯性能量呈指数增长, 而台风的影响面积与最大风速半径的变化相对比较一致, 当最大风速半径(R₀)增大一半(1.5R₀)时, 其产生的最大平均近惯性动能从81J·m^-3增大到631J·m^-3, 影响面积从大约600km²增加到大于900km²。     

波浪水槽中振动格栅湍流特征的实验研究

在波浪水槽中采用格栅振动的方式产生湍流,研究振动格栅产生湍流的特征。本文开展了4类实验,调节测量点到格栅平均位置的距离、格栅振动频率、振动冲程,采用ADV测量水体中单点的脉动速度。实验结果显示,湍流强度在一定范围内随离格栅距离的增大而逐渐减小,随着振动频率的增大而呈幂指数增大,随着振动冲程的增大而呈幂指数增大。同时还比较了两个不同格栅产生湍流的不同。结果显示,在波浪水槽中,振动格栅产生湍流的强度还与格栅的长度尺寸有关,这与在水箱中振动格栅产生湍流的特征不同。     

黄海在有无潮作用下对“布拉万”不同响应的数值模拟研究

黄海是典型的强潮驱动的陆架浅海。为了研究黄海对台风的响应特点,本文利用区域海洋模式(Regional Ocean Modeling Systems,ROMS)分别模拟了在有潮和无潮作用下黄海对台风"布拉万"的响应过程。结果表明,不管潮存在与否,"布拉万"经过黄海后都引起了海表面降温和流速的近惯性振荡响应,这种响应主要分布于黄海中部较深区域,带通滤波提取的近惯性流速具有垂向第一模态特征。同时,研究发现强背景潮流能显著地影响黄海对"布拉万"的响应过程。主要结论如下:一方面,由于潮的存在,近岸垂向混合均匀的较暖水体与远岸较冷水体之间会形成潮混合温度锋面,"布拉万"过后,暖水发生了明显的离岸扩张,尽管路径右侧的混合层降温更显著,但是左侧即黄海西岸的暖水扩张更明显;另一方面,潮的存在减弱了布拉万产生的近惯性振荡响应,半日潮流在黄海仍然占据主导地位。在混合层中潮流的作用减弱了"布拉万"产生的近惯性能量,但也使其更易穿过跃层传入黄海内部。     

基于波浪能的浮式装备随体供电技术研究

随着我国海洋开发向深远海方向发展，各类海洋装备长时间工作于深远海域，能源供给极不方便，迫切需要一种便捷的能源供给方式。针对上述需求，提出了一种可内置于海洋浮式装备的波浪能转换装置，以海洋浮式装备为载体，依靠载体在波浪作用下的垂荡运动获取波浪能，由于惯性波浪能转换装置的振子在弹簧的作用下产生振动，驱动动力输出(PTO)系统做功，将波浪能转换为电能。基于流体力学基本原理， 建立了浮体与波浪能装置的耦合运动学模型和能量转换数学模型，分析不同参数对 RAO 和 CWR 的影响。通过优化分析，本文所提出的基于惯性原理的双共振波浪能转换装置能量转换效率最高可达 45%以上，可有效地应用于海洋浮式装备，具有可观的应用前景。     

等深度旋转均匀流体的线性波动Ⅰ

本文没有作出无旋和静压分布的假定,导出了适用于任意海底地形的不可压缩理想均匀流体的线性波动方程,依此方程求得了常深度水域现有波动的统一解。文中还对通常的无旋假定和静压假定作了讨论,给出了静压假定的误差量级以及在何种情况应考虑或忽略科氏力。     

青岛麦岛污水处理厂工程海沿岸近岸流的数值模拟

采用动量方程、波数矢量无旋和能量守恒关系对青岛市麦岛污水处理厂工程海区近岸流进行了数值模拟计算，计算结果表明本文提出的近岸流的计算方法是适合工程应用的。采用该模型对沿岸规则波产生的近岸流流场进行数值模拟是简便可行的。     

基于实测资料的南海北部台风“海鸥”致近惯性振荡研究

文章利用2014年9月南海东北部附近海域的A、B两个相距约20km的潜标数据,分析了台风"海鸥"在南海东北部激发的近惯性振荡的垂向分布特征。结果表明,台风过境在两站点激发了强烈的近惯性振荡,其能量由海表向海洋内部传播;近惯性能量在表层随着深度增加而增大,最大值出现在次表层,此后随着深度增加迅速衰减。但是两个观测站点的近惯性振荡垂向分布特征有较大的差别:A站点的近惯性振荡在不同深度上存在三个不同的垂向相速度,而B站点的垂向相速度没有变化;两站点的最大近惯性动能的大小及其所在深度不同,B站点比A站点的最大近惯性动能大15%左右。台风过后两个站点均出现由近惯性波f和半日内潮波D_2非线性相互作用产生的次级波动fD_2,但其强度存在差异。台风后A站点fD_2在不同深度上有不同的变化,f和D_2相互作用较弱;而B站点的fD_2在整个近惯性振荡影响深度内都是增强,其fD_2和f频带的动能和流速在时空分布以及变化趋势上有较好的相关性。两站点的近惯性振荡垂向相速度以及次级波动fD_2的不同可能是水体层结的差异和涡旋的影响所导致的。     

基于实测资料的南海北部台风“海鸥”致近惯性振荡研究

文章利用2014年9月南海东北部附近海域的A、B两个相距约20km的潜标数据, 分析了台风“海鸥”在南海东北部激发的近惯性振荡的垂向分布特征。结果表明, 台风过境在两站点激发了强烈的近惯性振荡, 其能量由海表向海洋内部传播; 近惯性能量在表层随着深度增加而增大, 最大值出现在次表层, 此后随着深度增加迅速衰减。但是两个观测站点的近惯性振荡垂向分布特征有较大的差别: A站点的近惯性振荡在不同深度上存在三个不同的垂向相速度, 而B站点的垂向相速度没有变化; 两站点的最大近惯性动能的大小及其所在深度不同, B站点比A站点的最大近惯性动能大15%左右。台风过后两个站点均出现由近惯性波f和半日内潮波D₂非线性相互作用产生的次级波动fD₂, 但其强度存在差异。台风后A站点fD₂在不同深度上有不同的变化, f和D₂相互作用较弱; 而B站点的fD₂在整个近惯性振荡影响深度内都是增强, 其fD₂和f频带的动能和流速在时空分布以及变化趋势上有较好的相关性。两站点的近惯性振荡垂向相速度以及次级波动fD₂的不同可能是水体层结的差异和涡旋的影响所导致的。     

西太平洋双热带气旋和南海—西太平洋双热带气旋的互旋作用

本文利用1960～1987年间23例双热带气旋实测资料,计算了西太平洋双热带气旋和南海—西太平洋双热带气旋之间的互旋角,得出了两热带气旋之间距离小于18经纬度时便会产生相互牵引作用,且随着它们中心间距(d)的减小,双热带气旋的互旋角增大,尤其当d≤9个经纬距时,互旋作用迅速增大。计算结果表明:在西太平洋按γ~(0.8)V_θ=C涡旋模式,利用实测最大风速资料所计算的双热带气旋互旋角与实际转动率较一致。而南海—西太平洋双热带气旋采用γ~(0.9)V_θ=C的涡旋模式,计算的结果与实际较相符。而γ~(1/2)V_θ=C涡旋模式是夸大了双热带气旋的直接互旋作用,而Rankine涡旋模式则缩小了双热带气旋的直接互旋作用。     

风生近惯性波的传播和耗散综述

近惯性波广泛存在于全球海洋,对海洋中的能量级联非常重要。风输入海洋的近惯性能量在海洋中是如何传播和耗散的,能量在海洋中如何划分,一直是受到高度关注的话题。本文简要综述了风生近惯性波在海洋中的传播和耗散过程,包括影响近惯性波传播的因素,比如β效应、中尺度涡度、台风尾流和近惯性波自身的波数特征等;近惯性波在风暴等强天气过程下的传播方式;近惯性波在混合层中衰减时间尺度的模拟;近惯性能量在海洋中的分配以及现有研究中还未解决的问题。本文拟为今后的近惯性波研究提供一些思路,进一步促进近惯性波机制和模拟等方面研究的深入开展。     

台风倒槽中气旋产生的机制

当台风受到冷空气侵入后，有时会在台风环流内新生一气旋，由于其产生机制较复杂。已引起很多气象工作者的重视。     

水下圆形浅滩附近波浪绕射的计算

采用波数矢量无旋和波能守恒方程对圆形浅滩附近水域波浪绕射进行了数值计算,计算模型中采用Ｂａｔｔｊｅｓ关系与波数矢量无旋,波能量守恒方程一起联合求解圆形浅滩附近水域波浪折射影响下的波浪要素。本文的数值计算模型对圆形浅滩水域波浪折射绕射现象的验证结果表明,计算所得结果与试验结果是吻合的,数学模型是可靠和合理的,具有实用价值。     

近岸水域波浪变形数学模型

本文采用波数矢量无旋和波能守恒方程建立了一个近岸水域波浪变形数学模型,模型中采用Ｂａｔｊｅｓ关系与波数矢量无旋,波能量守恒方程一起来求解近岸水域波浪折射绕射的联合影响的波浪要素。利用本文提出的数学模型对一个斜坡浅滩水域波浪折射绕射现象进行了验证,结果表明本文提出的近岸水域波浪变形的数学模型是可靠的,计算所得结果与试验结果是吻合的。     

非线性效应对浅水水波变形的影响

本文采用波数矢量无旋和波能守恒方程建立了一个考虑非线性作用的浅水水波变形数值模型,模型中采用Ｂａｔｔｊｅｓ关系与波数矢量无旋,波能守恒方程一起来求解波浪在浅水中变形的波浪要素,在波能守恒方程中考虑了底摩擦的影响。利用本文提出的数值模型对一个斜坡浅滩水域波浪折射绕射现象进行了验证,验证计算中用一个非线性经验弥散关系近似浅水水波变形的非线性效应并与用线性弥散关系的计算结果进行了比较,结果说明使用非线性     

黄河三角洲潮滩孔压对循环振动荷载响应研究

为了研究黄河三角洲潮滩孔压对循环振动荷载的响应过程,在现场潮滩上利用循环振动荷载作用于海床,实时监测了振动过程中孔压的发展过程。研究结果表明:在每一轮振动过程中,超孔压并非是一直升高的,其发展过程主要可以分成3个阶段:首先是累积阶段,在此期间内超孔压迅速积累并达到一峰值,即"超孔压最大响应值";其次是过渡阶段,在此期间超孔压基本保持稳定;而后是消散阶段,即超孔压从最大响应值开始缓慢消散。在振动过程中,产生的最大超孔压是振动能量的指数函数,而且不同深度所产生的最大超孔压不同,存在一极值响应深度。在超孔压累积阶段,尽管不同深度超孔压的累积历程不同,但其累积形式具有一致性,即超孔压是以振动次数为自变量的二次函数,而且,超孔压的累积速率是线性降低的。     

悬跨海底管道疲劳寿命分析研究

海底管道在服役期间由于各种原因会在某些管段形成悬跨。这些悬跨在海流力作用下，将产生涡激振动。这种涡激振动最终可能导致管道疲劳失效。管道在海流力作用下发生的涡激振动是管道振动和漩涡尾流振动耦合的结果。在建立管道振动模型和Matteoluca尾流振子模型基础上，对管道涡激振动动力响应特性进行分析。依据Miner线性损伤累积理论，采用S—N曲线法分析计算管道疲劳寿命。最后，针对海洋油气开发与生产，提出延长海底管道疲劳寿命的方法和措施。