海洋资料浮标水动力特性研究现状分析.pdf

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1、2017正海洋湖沼通报TransactionsofOceanologyandLimnologyN_04海洋资料浮标水动力特性研究现状分析余建星1’2，韩彤L孙，李林奇3，邵毅3(1．天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津，300072；2．高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海，200240；3．国家海洋技术中心，天津，300112)摘要：海洋资料浮标是一种无人值守的自动海洋观测站，是海洋观测的重要技术装备之一。浮标在恶劣天气条件下，尤其是在大风浪作用下，会产生较大的运动响应，严重影响其安全性和可靠性。因此在设计研制过程中，对浮标水动力特性进行分析研究就显得额外重要。本文归纳总结

2、了目前国内外海洋资料浮标水动力特性研究的4种主要方法：理论分析、数值模拟、模型试验和现场观测。并在此基础上提出了海洋资料浮标水动力研究方法的发展趋势及应用情况。关键词：海洋资料浮标；水动力；研究方法；发展趋势中图分类号：W／15．2文献标志码：A文章编号：t003—6482(2017)04—061—07引言海洋资料浮标(以下简称浮标)，是一种布放在特定海域用于定点观测海洋环境的重要技术装备。它能够长期、连续、自动地采集和发送定点海洋环境观测资料，是现代海洋环境立体观测系统的重要组成部分。浮标在海上由于受到风、浪、流的影响，不可避免的会发生摇荡，影响标上设备的数据采集，而恶劣自然环境会造成浮

3、标剧烈运动，甚至倾覆。近些年随着新材料新工艺、观测预报和海洋环境观测的需求不断发展，越来越多的要求海洋资料浮标可以在深远海完成多种观测任务。因此研究浮标的水动力特性，验证浮标能否在较为恶劣的海况下工作及生存，提高观测要素的测量精度，成为了海洋资料浮标设计和研制的前沿问题。本文对海洋资料浮标水动力特性的研究现状和应用做了一般性综述，进而分析总结，提出未来的发展趋势和研究方向。1海洋资料浮标水动力特性研究的主要内容水动力特性研究在海洋资料浮标上的工程应用主要分为以下两个方面：一是力和力矩的研究。海洋资料浮标在海上风、浪、流的作用下，会受到多种力和力矩的作用，其中在工程运用中比较重要的是系揽张力

4、和阻力的计算。锚泊系统是保证整个海洋资料浮标正常工作的重要组成部分，它可以为系统提供稳定且足够大的系泊力，使得浮标能够在恶劣海况下长期锚泊定位。系泊力是由其自身受到的波浪载荷、流载荷以及上部运动拉伸载荷等共同作用产生的，在设计锚泊系统时需要准确预测，以使得锚泊系统不走锚、不断缆，同时尽可能减少对标体随波性能的影响。对浮标拖航阻力进行研究，有助于最佳拖带点和拖航方案的选择，保证浮标在拖航过程中的稳定性。基金项目：海洋公益性行业科研专项资助项目——深海锚系浮标产品化(201405006—1)；天津市海洋经济创新发展区域示范项目——海洋环境监测浮标产品化；国家重点基础研究发展计划(973计划)资

5、助项目(2014CB046804)；国家自然科学基金资助项目(51239008)资助第一作者简介：余建星(1958一)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为船舶与海洋工程可靠性及水动力研究。E-mail：yjx2000@tju．edu．cn*通讯作者：韩彤(1991一)，男，硕士研究生，主要研究方向为海洋资料浮标可靠性及水动力研究。E-mail：hanton99800@163．com收稿日期：2016—03—2562海洋湖沼通报海洋资料浮标图另一个是运动姿态、幅值的相关研究。通过对海洋资料浮标载荷与运动响应的频域分析，可以得到浮标在各个波浪频率下的横摇和升沉的幅值，在设计海洋资料浮标时应注

6、意避免浮标的固有频率与目标海域主能频率相近。通过对海洋资料浮标的时域分析可以得到浮标在特定海况下的运动姿态，这其中包括锚系的水下姿态，保证其搭载的仪器设备能够正常工作。此外，计算得到的附加水质量、阻尼等变化，也对海洋资料浮标的整体设计起到了一定的参考作用。2水动力特性研究方法水动力特性研究的主要方法有理论分析、数值模拟、模型试验和现场观测。理论分析即运用基础理论，采取推导、假设、建模等方法，证明某一概念、定义、定理、定律等。数值模拟是指基于相关理论知识，结合有限元或边界元的概念，通过电子计算机进行数值计算和图像显示的方法，达到对水动力特性研究的目的，在一定程度上可以验证理论分析的结果。模型

7、试验即在比例缩小或等比例模型上进行相应的试验，获取相关数据及检查设计缺陷，也可以用来验证理论分析和数值模拟的结果。另外，由于海上环境复杂，并且数值模拟和模型试验分析又存在一些不可消除的误差，有时会运用相关技术设备，对研究对象进行现场观测，获取较为可靠的数据资料，来验证数值模拟或模型试验结果的准确性，4种方法相互区别又相互联系。2．1理论分析对于浮标理论的系统研究始于美国H．O．贝托编写的《BUOYENGEERING》一书