球形波浪浮标结构参数对其升沉运动性能的影响.pdf

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1、第33卷第3期2014年6月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．33，No．3Jun。2014球形波浪浮标结构参数对其升沉运动性能的影响孙东波，张锁平，齐占辉，董涛，赵江涛(旧家海洋技术Ih心，天津300112)摘要：对球形波浪浮标进行了静力学分析，并结合球形波浪浮标吃水线的一般设计要求得出了球形波浪浮标的平均密度与海水密度的关系式。利用球形波浪浮标在受到波浪激励时的运动响应方程并结合球形波浪浮标的结构参数特点，得出了球形波浪浮标在波浪激励下的升沉运动振幅与激励波浪振幅相一致的理论条件和结构参数。以

2、国家海洋技术中心最新研发的直径480iIlln球形波浪测量浮标为研究对象，结合海洋表面波分类特征，研究了该球形浮标体在常规波浪激励下的升沉运动响应的相关性能．并给出了在测量不同周期的波浪时，该球形浮标体升沉运动的理论响应振幅系数。通过以上分析得出了直径480nllTl球形波浪测量浮标在测量周期为1S以上的波浪时具有非常优越的随波浪升沉运动的性能。文章的相关分析为球形波浪浮标的进一步研究提供了理论基础。，关键词：波浪；浮标；运动性能；升沉运动；波高中图分类号：P715．2文献标志码：A文章编号：1003—2029(2014)03—0

3、023—04利用波浪浮标对海浪进行表面测量是获取海浪数据的重要手段之一。浮标体在波浪的作用下在海面做竖直方向升沉运动和浮标体自身的横摇运动。对于波浪浮标来说，浮标体的升沉运动对波浪参数的测量起主要作用。浮标体内的传感器可以测量浮标体的运动参数，经过计算分析获取波浪的波高、周期和波向等参数。浮标体在海面波浪的作用下主要受到重力、浮力、波浪激励、海水粘滞力及惯性力等各种作用力的影响，受力情况非常复杂。所以，研究浮标体随波浪升沉运动特性对提高波浪浮标的测波精度有非常重要的作用旧。目前，以波浪骑士为代表的大多数波浪浮标的浮标体均采用球形设

4、计。球形浮标体在波浪浮标领域的优越性得到了实践证明㈣。本文从分析球形波浪浮标的静力学特点人手，在浮标体升沉运动方程的基础上，代人了球形波浪浮标结构参数，推导了球形波浪浮标升沉运动的相关公式，得出了球形波浪浮标获得较好升沉运动性能的条件。图l球形波浪浮标静力学分析1球形波浪浮标静力学分析球形波浪浮标在静止水面上的受力情况如图1所示。在水面静止无波浪时，浮标体只受到自身重力形和浮力F的作用，且W=F。由阿基米德原理可知，ptgVl---pgV(1)式中：p为海水密度；g为重力加速度；V为浮标收稿日期：2014一01—13基金项目：天津

5、市自然科学基金资助项目(13JCQNJC03800；12JCQNJC02400)作者简介：孙东波(1984一)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为海洋观测技术。Email：sundongbo_haiyang@126．COIII24海洋技术学报第33卷体排开水的体积；p。为浮标体平均密度；V。为浮标体体积。水面与处于平衡状态的浮标体的交线，称为吃水线。对于球形波浪浮标来说，其吃水线可以根据设计要求通过调整浮标体重量进行调整，一般将球形波浪浮标的吃水线设计为球形的水平几何中心线。因此有V，=2V，代人公式(1)得：1pl=÷p(2)

6、二从式(2)可以看出，球形波浪浮标的平均密度为海水密度的112。2球形波浪浮标升沉运动性能在波浪的激励下，球形波浪浮标作升沉运动。研究球形波浪浮标的升沉运动方程时，将球形波浪浮标看做是位于其球心的一个质点。坐标规定如图2所示，选择静止水面作为参考水平面，波浪沿x方向传播，z轴方向垂直于水平面向上。设波浪的振幅为A，波浪的振动频率为∞，波浪运动方程为z--Asin(∞￡)，浮标的质量为m。浮标所受到的海水粘性阻力与其运动速度成正比14-5]。在静止水面情况下，浮标在重力和浮力作用下处于静态平衡，当浮标受到波浪激励时，浮标所受浮力发生

7、变化。浮力变化为：Af=-psg(z-Asinwt)；浮标所受阻力为：9=一c(粤-Atoco驯t)Ot式中：P为海水的密度；S为浮标等效截面积；g为重力加速度；彳为浮标竖直方向位移；C为阻力系数。Z0I8A舣／I＼水平面一图2球形波浪浮标升沉运动坐标系根据牛顿第二定律，得出：m争=-psg(z-Asin训-C(誓-A⋯酬解方程得：z_A1e舌sin(pt+a)+AA"sin(wt+自01(3)式中：A．和a分别为自由阻尼振动的初始振幅和相位差常数；2a：旦(4)∞o鲣(5)P=√∞；一62∞>6)——26603妒2am‘an—(

8、260J)2+CO—02(0。2_(02)肚；丝至±堕√462∞2+(西一∞22(6)式(3)为球形波浪浮标在波浪中的运动方程，其右边第一项为自由阻尼振动，第二项为受迫振动。在一的作用下，当时间t足够长时，自由阻尼振动的振幅趋近于零。这时浮标的运动