水下滑翔机海上试验研究

介绍了水下滑翔机工程样机"海翔1"号2015年在南海的海上试验情况,包括试验对象、试验海区、试验步骤和试验数据分析等。本次试验最大下潜深度达到503.7 m,最大垂直速度为0.15m/s,最大水平航速为0.33 m/s,水中航行里程总计41.2 km。在4级海况下完成了通信定位、数据传输、布放与回收作业,搭载了CTD、叶绿素和溶解氧浓度传感器进行海洋环境参数测量,获得了500 m深度剖面内的温度、电导率、叶绿素浓度和溶解氧浓度参数信息。本次海上试验为水下滑翔机产品设计定型和示范应用奠定基础。     

波浪滑翔机椭圆形后缘水翼动力特性研究

水翼是波浪滑翔机的重要动力转换部件。本文针对水翼平面形状的优化问题进行研究,首先,建立了波浪滑翔机水翼水动力分析模型,分析了展弦比和翼型对单个平直水翼升力特性的影响,选定了最佳展弦比和翼型;在此基础上,提出了一种椭圆形后缘的水翼平面外形技术方案,建立了水翼椭圆形后缘平面外形的控制方程;利用CFD方法,针对单个水翼和阵列化水翼2种条件,分析对比了平直水翼和具有椭圆形后缘水翼的升力和阻力特性。研究结果表明:在低雷诺数条件下,较大的展弦比有利于提高水翼的升力系数;攻角较大时NACA0012翼型截面形状的水翼性能优于平板翼;对于相同面积的水翼,当攻角较小时椭圆尾缘水翼的升力系数和阻力与平直水翼相同,而攻角较大时椭圆尾缘水翼的升/阻力特性优于平直水翼。     

基于南海波浪要素的波浪滑翔机翼板参数优化设计与仿真

针对南海不同波浪要素条件下波浪滑翔机翼板参数设计的问题进行研究。基于欧洲中尺度天气预报中心大气和海洋全球再分析数据集(ERA5), 对南海不同季节以及台风经过时的波高波周期进行统计。并利用FLUENT软件研究南海不同波浪要素条件下翼板最大偏转角度、转轴位置以及翼板间距对波浪滑翔机水下翼板平均推力的影响。仿真结果表明, 波高越大, 翼板最大偏转角度也应相应增大, 才能保证翼板获得更大的推力; 在南海波浪要素条件下, 翼板转轴位置选取在翼板前端1/5处较佳; 适当增加翼板间距能够提高翼板获得的推力。通过对翼板被动摆动进行仿真, 得到了翼板在不同参数设置下产生的推力, 为波浪滑翔机翼板设计提供参考。     

波浪动力滑翔机海洋环境监测系统

波浪动力滑翔机将海洋波浪起伏转化为前向推进运动,同时,利用太阳能系统为电气设备提供驱动电源,可以实现长时间、远距离的走航测量,具有定点虚拟锚泊和路径自动跟踪的功能。首先分析了波浪动力滑翔机在海洋环境监测中的必要性以及当前国外技术发展现状;随后,从波浪动力滑翔机工作过程解析入手,分析了其结构组成和运动机理,给出了成功设计的关键和要领,并近似确定了第三代波浪动力滑翔机的基本物理参数;最后,总结了第二代波浪动力滑翔机的性能指标,以及其在海洋环境监测中的广泛应用。     

波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析

为满足对远洋环境进行长时间、大范围监测的实际需求,设计提出一种波浪动力滑翔机,该设备是一种无需携带能源即可实现自主航行的新型海洋监测平台,其主体结构由水面母船、水下牵引机和柔性缆绳三大部分组成。平台通过即时获取海洋中的波浪能、太阳能、风能作为行走的动力源,克服了传统海洋监测设备在能源供应上存在的短板。为进一步提升水下牵引机对波浪能的利用率,采用Ansys软件中的Fluent模块对水下牵引机进行水动力仿真研究,分析了侧翼板形状、侧翼板工作最大摆动角度以及侧翼板安装分布间距对滑翔机总体行走效率的影响。结果表明:NACA翼型侧翼板具有更好的水动力性能;随着最大摆动角度的增加,水下牵引机的推进效率先增大后减小,最大摆角在20°左右时,推进效果最佳;随着侧翼板分布间距的增大,水下牵引机的推进效率逐渐减小,分布间距在80 mm左右时,推进效果最佳。     

波浪动力滑翔机岸基监控系统

波浪动力滑翔机是一款新型海洋环境观测平台,具有大尺度长时序海洋环境观测能力。利用C#.net开发环境,并结合GPS北斗双模技术和Google Earth COM API为波浪动力滑翔机开发了导航定位岸基监控应用程序,该程序主要包含卫星定位与数据传输、矢量地图的轨迹显示和路径设定、环境监测数据的分类存储与管理、平台运行状态可视化查询等功能。利用该岸基监控程序可实现在岸站对波浪动力滑翔机及其搭载的仪器进行全时段的可视化监视与控制,并完成对监测环境数据的接收、分类存储和可视化展示等操作。     

极端波浪条件下深水导管架基础结构波浪总力试验研究

波浪力对海上风电深水导管架基础结构的稳定性和安全性至关重要。通过波浪物理模型试验对极端波浪条件下深水导管架基础结构的波浪总力进行了试验研究,试验水深包括50 m和70 m两种,在1 000 a一遇波浪条件下,分别分析了深水导管架结构所受的波浪总水平力和垂直力。研究结果表明：相同重现期极端波浪作用下,70 m水深情况下的导管架结构波浪总水平力小于50 m水深的结果,但是70 m水深的导管架结构波浪总水平力弯矩大于50 m水深的结果;相同水深、水位和波浪条件下,导管架结构受到的波浪总垂直力明显小于波浪总水平力;在相同重现期极端波浪作用下,低水位情况时70 m水深的导管架结构波浪总垂直力与50 m水深的结果差别不大,但是在高水位时,由于在70 m水深的极端波浪条件下波峰可冲击作用到上部平台底面,70 m水深的导管架结构波浪总垂直力明显大于50 m水深的结果。     

波浪滑翔机推进装置翼片的启动阶段水动力学分析

波浪滑翔机直接利用波浪能实现大范围长距离的机动运动观测,在海洋环境观测中可以发挥重要的作用。本文对波浪滑翔机推进装置在启动阶段的翼片的水动力学行为进行了研究。以波浪滑翔机水下推进装置的翼片为研究对象,运用雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),对给定垂荡和摆动运动的翼片水动力学进行了水动力分析和仿真,模拟了单个翼片、纵向阵列多翼片的运动状况,得到推进装置翼片附近的压力分布和整体推进动力,分析翼片间距变化在启动阶段对推进力的影响作用。通过该研究工作为深入理解波浪滑翔机推进装置工作状态提供了理论依据。     

海上试验场对近岸波浪数值模式研究工作的支撑作用分析

分析了波浪数值模型研究工作的需求,并结合海上试验场自身的特点,提出相应的海上试验场建设方案,以更好地 发挥海上试验场对波浪数值模型在近岸区域应用研究工作的支撑作用。     

单点系泊网衣构件波浪试验研究

采用四种网箱系泊方法,设计单点系泊网衣构件水槽波浪试验。试验构件由六种网衣和框架装配而成,试验工况是规则波,周期为0．7—2．0s,波高为50—250mm。构件在水槽中作来回周期性直线运动,当试验波浪周期较小时,构件的来回运动不明显,主要以波浪运动为主,水动力峰值大体上呈周期性均匀变化;而当周期较长、波高较高时,构件在水动力的作用下产生了与波向相反的长周期漂移运动,有较大振幅的位移、速度和加速度,诱发了水动力的最大值,水动力变化呈现峰值短周期不均匀变化、最大值长周期变化和零拉力周期变化的规律。试验结果显示,与波高参数类似,随着网衣特性系数d／a的增大,网衣构件的水动力也增大,而水动力最大值长周期、零拉力周期变化规律分别是减短和增长的。在周期1．21、1．41、1．61、1．82s情况下,网衣C构件单点系泊试验水动力最大值是固定系泊计算水动力最大值平均的1．706、1．826、2．125、2．236倍,最大达3．61倍,表明单点系泊在波浪条件下构件水动力有较大的增加。     

极浅海域波浪滑翔器跨介质通信实验

面向海洋立体信息感知中长期环境监测、目标探测、区域预警、跨介质信息中继等领域对极浅海域空海信息链路的需求,考虑极浅海域信道恶劣、潮流复杂、环境噪声严重等困难,采用直接序列扩频结合差分二进制相移键控（DS-DBPSK）的水声调制解调技术,以波浪滑翔器为平台进行水声通信、无线系统设计与整合,构建面向极浅海域水下信息支持的波浪滑翔机跨介质通信链路,并在平均深度12 m的厦门港海域开展极浅海域跨介质通信实验,验证了所设计技术方案及系统的有效性。     

温差能驱动的水下滑翔器设计与实验研究

论文设计开发了一种新型的温差能驱动的水下滑翔器,并对它做了水域实验研究。文章讨论了温差能驱动的滑翔器运动机理及其在垂直剖面的运动分析,得到稳态运动的参数解。结合能够把水域温差能转变为机械能的热机设计以及滑翔器的主要机械结构和控制硬件系统设计,完成了滑翔器的初步设计与开发。滑翔器在千岛湖进行了水域实验,实验结果表明,此水下滑翔器完全能够利用温差能实现预定的滑翔运动。     

基于RT-Thread的波浪滑翔器控制系统设计与实现

波浪滑翔器是一种新型海洋无人自主航行器,拥有无污染、能耗低、续航时间长、航程远、生存能力强等诸多特点,已逐步成为国内外研究的热点。控制系统作为波浪滑翔器的重要组成部分之一,它的稳定与准确性直接影响着波浪滑翔器的航行性能尤其是走航和定点的控位精度。介绍了一种基于 RT-Thread 实时操作系统的波浪滑翔器控制系统设计,通过多次海上长时间连续试验表明,基于 RT-Thread 的波浪滑翔器控制系统具有良好的准确性和可靠性。     

“海鳐”波浪滑翔器在水下定位与通信中的应用

“海鳐”波浪滑翔器是我国自主研制的第 1 代波浪滑翔器产品,性能优异,可靠性高,已完成包括海洋环境观测、水下目标探测、跨域通信及信息传递等应用研究。在国家重点研发计划“无人无缆潜水器组网作业技术与应用示范”等领域项目的支持下,“海鳐”波浪滑翔器平台技术成熟度及应用研究上均得到进一步提升,为在我国在军事、海洋环境监测及海洋资源开发利用等领域的应用推广奠定了坚实的基础。介绍了“海鳐”波浪滑翔器在水下声学定位与跨域组网通信中的最新应用进展,总结了应用中的主要技术问题, 对波浪滑翔器装备未来的发展给出了新的研究方向。     

国产水下滑翔机2014年南海海试实验数据分析

水下滑翔机(Underwater Glider)是将浮标、潜标技术以及水下机器人技术相结合并依靠自身浮力和重力作为推进方式的一种新型海洋调查系统.文中详细介绍了中国科学院自动化研究所研制的水下滑翔机的组成部分及其工作方式和原理,并对2014年6月南海海试的数据进行了分析.结果表明,Glider的下降和上升速度主要分布在0.1～0.2 m/s之间,占整体分布的85％以上;该速度分布对获取高质量的数据提供了极大保障.单剖面完成时间以及出入水的水平距离主要受滑翔机的预设浮力以及俯仰角的变化以及洋流的影响.获取的高分辨率温盐数据结果表明,Glider发现了南海表层存在的一个中尺度暖涡过程,并就该暖涡分析了其锋面结构.海试总体结果表明,国产Glider的各项性能指标已经能够满足在深海海域实现无人值守的长时间自主海洋调查.     

地波雷达海上比测试验站址和仪器选择的考虑

文中介绍了地波雷达在浪场、流场、风场等海况信息提取方面的应用,并进行了地波雷达比测实验的仪器分析,结合厦门南部海域的海流、风场等环境要素以及站位布设理论,确定了该海域的地波雷达比测站位,为下一步的仪器投放提供理论依据和技术支持。     

新型无尾翼水下滑翔器升阻比性能的研究

采用标准k-ε两方程涡粘性模型,压力的隐式算子分割算法(PISO)求解时均Reynolds方程(RANS),对三种新型无尾翼水下滑翔器的升阻比性能进行研究。先对滑翔器摩擦阻力的CFD模拟结果与理论计算结果进行对比分析,验证CFD模拟结果的合理性与可靠性;再对不同迎流速度、不同速度攻角下的试验工况进行数值模拟,分析不同试验工况下滑翔器的粘压阻力与升力,得到不同试验工况下滑翔器的升阻比性能。研究结果表明,新型无尾翼水下滑翔器在5°~15°攻角区间内具有良好的升阻比,小攻角下圆碟型和飞碟型滑翔器的升阻比性能优于椭圆型滑翔器,而大攻角下椭圆型滑翔器相对其它两种具有更佳的升阻比性能,为新型无尾翼水下滑翔器升阻比性能的研究提供一定的思路。