海洋资料浮标水动力分析及结构研究

论文摘要

海洋资料浮标，是一种布放在海洋中用于观测海洋的新型仪器。它能准确获得每时每刻的海洋环境资料，并且能够自动采集、自动标示和自动发送数据资料。这种设备不但用于采集海洋表面水文资料和海面气象数值的范围，还能对海洋渔业环境、海水的物化特性及深海剖面层等许多方面进行全面综合监测，是海洋观测岸站和海洋调查船等其所无法替代的。目前浮标应用已是多学科性的，完全超越了以前的单一性，从气象、水文等常规的参数发展到各种海洋学参数，从海洋表面观测发展到海洋的整个剖面至底部的三维监测，应用于气象、水文、环境、生态、光学、水声、军事、地质和其他学科。而我国有18000多千米的大陆岸线，拥有近300万平方千米领海域，相当于我国陆地面积的三分之一。所以大力开发我国海洋资源和建设海洋经济是当务之急，而开发的前提是需要海洋资料浮标采集到的各类海洋数据资料。因此海洋资料浮标的研究与开发是迈向海洋的第一步，也是最重要的一步。本文是以海洋资料浮标为模型，通过理论分析和数值模拟两种方式，对浮标体在海面上受风浪的作用下的运动情况进行模拟及研究，并应用了商业化软件FLUENT对浮标体受到的力进行计算以及稳定性的分析。理论研究分析了风浪的主要参数，将不规则的长波采用傅里叶分解法简化，总结出风浪的普函数，继而得到风浪影响浮标体运动的主要原因。以船型浮标在3、4级海况下，通过建立浮标体的运动方程，应用MATLAB平台模拟总结出浮标的横摇倾角与横摇周期的关系。为了满足浮标体的工作的必须条件，减小横摇倾角是首要工作。通过机械结构来减小横摇倾角也是提高浮标体稳定性的有效途径之一。然后应用商业化软件FLUENT，采用流体体积模型（VOF）方法模拟出浮标体在风浪中的受力情况。根据计算的升力和阻力结果，采取以调整吃水线高度的方式来改变浮标体的受力大小。以SOLIDWORKS为工具对浮标体结构进行设计，来达到调整吃水线位置为目的，从而提高浮标体在海面上的稳定性。最后，模拟出浮标体在数值波浪水槽里的受压情况。数值波浪水槽以一种计算机的仿真模拟程序来尽可能逼真的模拟真实的实验波浪水槽的各种功能。结合FLUENT软件，以RANS方程为控制方程。基于有限体积法，将入射波波场作为人工的分布源项加入动量方程，采用一种适用于VOF方法的造波——消波段技术。能有效的消除波浪遇结构物的反射。对波浪作用于浮标体底部和侧壁的冲击问题进行了数值计算，很好的模拟出了底部和侧壁的压力特性。浮标能实现对海洋环境的实时监测，预警预报，为管理部门提供充分的、可视的、直观的决策依据，有效预防海洋自然灾害和次生灾害的发生。对海洋蓝色经济乃至国民经济的发展具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 目的和意义
• 1.2.1 海洋资料浮标简介
• 1.2.2 海洋资料浮标的分类及特点
• 1.2.3 船型资料浮标简介
• 1.3 国内外现状
• 1.3.1 我国发展现状
• 1.3.2 国外现状
• 1.4 CFD 软件的应用
• 1.4.1 CFD 软件概述
• 1.4.2 计算特点
• 1.4.3 FLUENT 应用领域及构成
• 1.4.4 FLUENT 求解过程
• 1.4.5 VOF 模型
• 1.5 课题的主要内容
• 第2章 海洋资料浮标在风浪中的横摇运动特性
• 2.1 风浪的特性
• 2.1.1 风浪谱
• 2.2 资料浮标在风浪中的横摇运动
• 2.3 船型资料浮标体运动分析
• 2.4 船型浮标运动仿真
• 2.4.1 MATLAB 软件概述
• 2.4.2 MATLAB 软件仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 调整海洋资料浮标的自重减小横摇倾角
• 3.1 前处理软件 GAMBIT
• 3.1.1 GAMBIT 软件概述
• 3.1.2 GAMBIT 软件特点
• 3.2. PISO 算法
• 3.2.1 PISO 算法及计算过程简介
• 3.3 理论分析
• 3.3.1 数值模型
• 3.3.2 理论计算
• 3.3.3 控制方程
• 3.4 仿真计算
• 3.4.1 网格划分及边界设置
• 3.4.2 FLUENT 软件仿真
• 3.5 结构改进设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 波浪对浮标冲击作用的数值模拟
• 4.1 数值模型
• 4.1.1 理论基础
• 4.1.2 控制方程
• 4.1.3 边界条件及初始条件
• 4.1.4 网格生成
• 4.1.5 数值算法
• 4.2 数值结果分析
• 4.2.1 数值波浪水槽
• 4.2.2 波浪对浮标体冲击作用的数值研究
• 4.2.2.1 浮标体模型分析
• 4.2.2.2 波面的时间序列
• 4.2.2.3 流场中冲击压强分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论及展望
• 5.1 全文结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间发表的专利
• 攻读学位期间获得的奖项
• 致谢