海翼水下滑翔机测流应用

水下滑翔机其通过集成生物、化学、物理传感器可以测量如温度、盐度、溶解氧等多种海洋基础水文要素,其利用卫星定位系统获得实际出水速度和理论出水模型获得理论出水速度之差可以计算深度平均流,。本文利用海翼水下滑翔机获得温盐场及卫星定位数据评估深度平均流,结果显示利用温盐场获得深度平均地转流与水下滑翔机获得深度平均流相关系数0.95,表明其流场的一致性,同时根据船载观测ADCP误差分析法估算深度平均流误差约为0.036 m/s。借助深度平均流可以估算绝对地转流,包括正压地转流和斜压地转流。在零动力面的假设下,我们选取了海翼号水下滑翔机在南海的一组实验对流量误差进行了评估。该实验为2019年1月3日-2月16日海翼号水下滑翔机自南向北穿越西沙群岛附近一个中尺度涡观测。观测结果表明,该中尺度涡为冷涡流核,在涡心以南,绝对地转流为东向流,最大流速约为0.48 m/s;涡心以北,绝对地转流为西向流,最大流速约为0.47 m/s,稍弱于南侧。受不均匀时空观测计划影响,本文未对流量做出估计。     

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台, 具有持续性、鲁棒性、自主性等特点, 是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开, 基于国内外海洋学文献综述研究, 重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续, 观测高分辨率、低成本的特点, 满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求; 鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测; 运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现, 国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。     

Study on short-range numerical forecasting of ocean current in the East China Sea-Ⅲ Three-dimensional baroclinic anomaly forecasting model and its application

Ｓｔｕｄｙｏｎｓｈｏｒｔ－ｒａｎｇｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｏｆｏｃｅａｎｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｈｅＥａｓｔＣｈｉｎａＳｅａ－ⅢＴｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂａｒｏｃｌｉｎｉｃａｎｏｍａｌｙｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｍｏｄｅｌａｎｄｉ...     

A hybrid Lagrangian-Eulerian numerical model for sea-ice dynamics

A hybrid Lagrangian-Eulerian(HLE) method is developed for sea ice dynamics,which combines the high computational efficiency of finite difference method(FDM) with the high numerical accuracy of smoothed particle hydrodynamics(SPH).In this HLE model,the sea ice cover is represented by a group of Lagrangian ice particles with their own thicknesses and concentrations.These ice variables are interpolated to the Eularian gird nodes using the Gaussian interpolation function.The FDM is used to determine the ice velocities at Eulerian grid nodes,and the velocities of Lagrangian ice particles are interpolated from these grid velocities with the Gaussian function also.The thicknesses and concentrations of ice particles are determined based on their new locations.With the HLE numerical model,the ice ridging process in a rectangular basin is simulated,and the simulated results are validated with the analytical solution.This method is also applied to the simulation of sea ice dynamics in a vortex wind field.At last,this HLE model is applied to the Bohai Sea,and the simulated concentration,thickness and velocity match the satellite images and the field observed data well.     

水下地形SAR成像与潮流场的相关性分析示例

潮流是水下地形SAR成像的决定性因素之一,潮流的周期性变化使水下地形SAR成像与潮流场有密切的关系,同一水下地形不同时刻SAR影像不同。以台湾浅滩为例,基于5景不同时相的ERS-2 SAR影像和台湾浅滩实测水深数据,开展了水下地形SAR成像与潮流场的相关性分析。为了排除SAR影像自身成像质量对研究的影响,首先对5景SAR影像的成像质量进行评价,然后通过潮汐潮流数值计算确定SAR成像时刻的潮流场以及基于QuikScat散射计数据确定SAR成像时刻的海面风向。在上述基础上开展了SAR影像后向散射系数与实测水深的相关性分析,总结出水下地形SAR成像与潮流场的关系,结果表明,潮流场与水下地形SAR成像密切相关,当潮流流向与水下地形梯度方向一致或接近时,水下地形SAR成像效果最佳;对于同一水下地形,流向相反的两种潮流对应的SAR影像后向散射系数恰好相反,即SAR影像中的明暗条纹不同。相对于潮流流向的顺流与逆流风向的不同对水下地形SAR成像无影响。     

Parametric Geometric Model and Hydrodynamic Shape Optimization of A Flying-Wing Structure Underwater Glider

Combining high precision numerical analysis methods with optimization algorithms to make a systematic exploration of a design space has become an important topic in the modern design methods. During the design process of an underwater glider''s flying-wing structure, a surrogate model is introduced to decrease the computation time for a high precision analysis. By these means, the contradiction between precision and efficiency is solved effectively. Based on the parametric geometry modeling, mesh generation and computational fluid dynamics analysis, a surrogate model is constructed by adopting the design of experiment (DOE) theory to solve the multi-objects design optimization problem of the underwater glider. The procedure of a surrogate model construction is presented, and the Gaussian kernel function is specifically discussed. The Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm is applied to hydrodynamic design optimization. The hydrodynamic performance of the optimized flying-wing structure underwater glider increases by 9.1%.     

海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉数值方法

综合考虑欧拉坐标下有限差分法(FDM)在海冰动力学计算中的效率,以及拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学方法(SPH)对海冰流变行为的精确模拟,本文发展了一种海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉(HLE)数值方法。该方法首先在拉格朗日坐标下将海冰离散为若干个具有厚度、密集度的海冰质点,并由这些海冰质点通过Gauss函数对欧拉网格上的海冰参量进行积分插值;然后,在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算以确定各网格节点的海冰速度,并由此采用Gauss函数积分插值出拉格朗日坐标下各海冰质点的速度分布;最后,通过对海冰质点运动和分布的计算,确定出各海冰质点的位置、厚度和密集度等参量。采用该HLE方法对规则区域内的海冰堆积过程和涡动风场作用下的海冰动力演化趋势进行了数值试验;最后,采用该HLE方法对渤海海冰的动力过程进行了72h数值模拟,其计算结果与卫星遥感图像和现场观测资料吻合较好。以上计算结果均表明该HLE方法在海冰动力学数值模拟中具有较高的计算效率和模拟精度,可用于海冰动力过程的数值模拟。     

A detection model of underwater topography with a series of SAR images acquired at different time

underwater topography is one of oceanic features detected by Synthetic Aperture Radar. Underwater topography SAR imaging mechanism shows that tidal current is the important factor for underwater topography SAR imaging. Thus under the same wind field condition, SAR images for the same area acquired at different time include different information of the underwater topography. To utilize synchronously SAR images acquired at different time for the underwater topography SAR detection and improve the precision of detection, based on the detection model of underwater topography with single SAR image and the periodicity of tidal current, a detection model of underwater topography with a series of SAR images acquired at different time is developed by combing with tide and tidal current numerical simulation. To testify the feasibility of the presented model, Taiwan Shoal located at the south outlet of Taiwan Strait is selected as study area and three SAR images are used in the underwater topography detection. The detection results are compared with the field observation data of water depth carried out by R/V Dongfanghong 2, and the errors of the detection are compared with those of the single SAR image. All comparisons show that the detection model presented in the paper improves the precision of underwater topography SAR detection, and the presented model is feasible.     

A numerical forecasting model of offshore-SST anomaly

INTRODUCTIONTheO-SSTAisdefinedas:theSSTanomalyinoffshoreisover2twiththehorizontalscopeofover1"longitudemultipliedbyl'latitudeandthetime-scalesofover10d.ItisanoutstandingoceanographicphenomenonoccurringagainandagainintheChinaseasinallseasons.TheaffectingfactorsoftheO-SSTAhavebeendiscussedindetail,whichincludebothoftheresponseofupperoceantothestrongatmosphericsystemsandtheshallow-watereffects(Wangetal.,1998).HoweverthereisnoexplorationhowadynamicpredictingmodelofO-SSTAisdeveloped.Th…     

复合模型系统的控制策略

复合模型中的物理模型和数学模型是依靠计算机控制系统实时耦合起来的。复合模型对控制系统的精度要求较高 ,但是流量的控制中存在着水流的滞后性以及水位控制中的超调现象 ,这些问题都将影响控制的精度。本文介绍采用改进的PID与Smith控制算法相结合的控制策略实现流量控制 ,以解决水流的滞后性 ;采用变参数PID控制策略实现水位控制。试验证明两者都取得了较好的控制效果     

浅海管线检测维修潜水器控制系统自航模试验

浅海海底管线检测维修潜水器是具有复杂动力特性和作业方式的特种载人潜水器，其作业需配备姿态及航行自动控制系统。为了保证其自动控制系统研制成功，研制了1：8缩尺的自航模作为平台，将实际控制系统方案遵循相似性准则改造为自航模控制系统，包括校正与补偿回路、指令分配器、姿态控制回路、航行控制回路。在海洋工程水池模拟风浪流等海洋环境，进行各种情况下的控制试验，对实现的控制律加以验证和改进，这些改进又按照相似性准则反映到实际控制系统方案的修正中。控制系统的设计方案由此得到全面验证和改善。     

渤黄海潮汐潮流精细化数值模拟及可视化预报系统

利用有限元海洋模式ADCIRC (Advanced Circulation Model),建立了高分辨率的渤黄海二维潮汐潮流数值模型,该模型以M2,S2,K1,O1等8个分潮的水位作为驱动,模拟出了该8个分潮的潮汐潮流调和常数;利用该调和常数预报的潮位和二维平均潮流与实测资料相比,符合较好;利用模拟得到的潮汐潮流调和常...     

近海海上风电场水下噪声传播模型适用性研究

通过现场采集近海海上风电场工程区运营期风机水下噪声和背景噪声数据,计算了噪声信号的倍频带声压级,功率谱级和峰值声压级,确定了海上风电场水下噪声总声源级为148.3 d B,以此开展近海海上风电工程风机水下噪声频域特性、功率密度谱特性等研究。在此基础上使用Kraken简正波模型和Bellhop射线模型对风电场运营期风机水下噪声在水平与垂直方向上的传播进行模拟,模拟了噪声在不同频带内的衰减程度,结果显示模型模拟结果在不同频率下的衰减趋势有着很大差异,产生了明显的多途干涉现象,通过实测数据对建立的噪声传播模型进行验证,发现Kraken简正波模型在500 Hz以下,Bellhop射线模型在500 Hz以上适合模拟实际水下噪声传播情形,同时海区本身背景噪声的存在会对预测的准确性产生影响。这些结论可用于进一步对近海海上风电场水下噪声传播的研究。     

海底管线检修潜水器垂直面控制及自航模试验

论述了纵倾控制律设计及自航模试验。首先选择一系列深度,对同一深度采用频域校正法单独设计控制律,使之对不同的速度和漂角具有足够的稳态精度和抗干扰性,这些控制律被集成统一为纵倾控制器,并根据潜深变化进行切换,对于其它深度采用同样的方法设计。控制器首先通过计算机仿真,然后进行自航模试验验证。设计的纵倾控制系统同时在其他试验项目中(水下管线跟踪和动力定位)发挥了重要的作用。     

基于潮汐表数据同化的天文潮数值预报模型及其模拟预报效果

潮汐表是利用长期潮汐观测结果经调和分析实现的主要港湾潮汐预报结果,具有较高的预报精度,而通常的天文潮数值预报目前还难以达到潮汐表的预报精度.本研究在建立常规天文潮数值预报模型的基础上,建立了基于潮汐表数据同化的天文潮数值预报模型,并分别采用这2种模型预报福建沿岸海域的天文潮.其结果表明同化模型的预报结果无论是在潮时还是在潮高均明显优于常规模型;同化模型能显著地改善所研究的沿岸海域90个水位点中至少45个水位点的潮汐预报结果,而其他水位点的预报结果也有不同程度地改善.     

On the formulation of a finite element method for the stiffened multi-layered airfoil/hydrofoil structure: Post buckling analysis for the wings of underwater gliders

A finite element method is developed for the stiffened multi-layered airfoil/hydrofoil structure for the large deformation and finite strain problem. The kinematics of the airfoil/hydrofoil is set up. The Consistent Orthogonal Basis Function Space is applied for the airfoil/hydrofoil structure. Given the airfoil/hydrofoil configuration and boundary conditions, the basis function space can be uniquely determined, such that the diagonal mass matrix is obtained accurately and the basis functions are very identical with the mode shape functions of the structure. In order to satisfy the displacement compatibility condition between adjacent layers of the airfoil/hydrofoil, the traction degree-of-freedom is also induced.The post buckling analysis is presented for the wing (hydrofoil) structure of the underwater glider. The water pressure is applied on the outer surface and the critical buckling pressure is calculated. The post buckling equilibrium path is also given. The results are verified with ANSYS. The present study of the buckling analysis of the airfoil/hydrofoil under water pressure is helpful to the design of underwater glider.     

磨刀门河口枯季波生流场数值模拟研究

本文建立曲线坐标系下的双曲型缓坡方程波浪模型和考虑波浪辐射应力影响的深度平均2D潮流数学模型,首次研究了磨刀门河口2011年地形条件下的枯季波生流场。受波浪作用影响,落潮阶段,波浪作用方向与流向相反,在波浪顶托效应下拦门沙沙脊及外坡处流速普遍减小,形成两个主要回流区,口门外东西两侧浅滩处流速也减小,东西两汊及横洲深槽流速增大;涨潮阶段,波浪作用方向与流向相同,拦门沙沙脊及外坡处流速增大,沙脊处出现冲越流,口门两侧浅滩处流速增大,横洲深槽流速减小。     

台湾海峡—种三维风海流数值计算模式

本文根据浅海风海流基础理论，采用数值计算方法，对台湾海峡的风海流流场进行了三维数值模拟，讨论了台湾海峡特征季风情况下风海流流场的水平结构及垂直分布。本模式值得进一步研究和完善。     

基于VOF模型的浮式消波海流机性能优化

针对浮式消波海流机样机测试时出现的问题,对其吃水深度线和叶片安装角度进行优化。根据装置结构特点,用Gambit建立了装置横截面的二维网格模型。根据浮式消波海流机实际工作环境,利用Fluent流体仿真软件,使用VOF(volume of fluid)两相流模型,分配空气相与液态水相在流域中的不同比例,来确定不同的吃水深度线。并且结合k-epsilon紊流模型建立模拟仿真环境。先对3种水线进行仿真分析,然后进行实验验证。通过分析对比装置的3种不同吃水深度线的模拟与实验结果,得到装置的最优吃水深度线为1/3水线。基于最优吃水深度线,分别对叶片的4种安装角度在相同的仿真环境中进行模拟仿真。利用仿真得到的扭矩数据,计算扭矩系数、功率系数,分析对比仿真数据以及仿真过程中扭矩趋势图得出4种叶片安装角度的最优角度是90°。吃水深度线决定了装置的消波能力,并且为叶片获能提供条件,叶片安装角度直接影响着装置的获能效率,所以最优的吃水深度线和叶片安装角度对海流机的消波能力和获能效率具有重要意义。     

“海底管线检修潜水器”管线位置信息重构及其自航模试验

海底管线检修潜水器主要依靠管线探测系统给出的管线位置信息完成水下自动跟踪巡线、定位和作业。针对管线探测系统信息不佳甚至丢失问题 ,建立了基于扩展卡尔曼滤波的信息重构算法 ,通过对来自管线探测系统、惯导和GPS系统以及管线位置历史数据库的信息进行融合 ,不仅提高了管线位置信息的稳定性 ,而且可以在管线探测系统信息丢失的情况下短时间内重构管线位置信息 ,供自动控制系统使用。运用该算法进行了计算机仿真和自航模试验 ,试验结果验证了该算法的有效性