波浪滑翔器关键技术研究 - adcp声学多普勒流速仪成熟应用

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以下文章来源于水下无人系统前沿科技，作者水下无人系统学报01波浪滑翔器被动扑翼机构推进效率分析 + v& g% E; T$ w" p

孙秀军, 刘金成, 桑宏强, 等. 波浪滑翔器被动扑翼机构推进效率分析[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(3): 265-271.

SUN Xiu-jun, Liu Jin-cheng, Sang Hong-qiang, et al. Propulsion Efficiency Analysis of Passive Flapping Foil Mechanism of Wave Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2021, 29(3): 265-271.

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波浪滑翔器的被动扑翼机构是为其提供前向驱动的核心模块, 其推进效率直接影响波浪滑翔器的前进速度和控位精度。

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文中搭建了完整的被动扑翼推进效率分析构架, 建立了被动扑翼推进运动计算流体力学(CFD)仿真模型, 重点对二级海况下的被动扑翼加载扭簧情况进行了仿真研究, 并对部分仿真数据加以试验验证。

CFD仿真结果表明, 扭簧刚度对被动扑翼推进性能具有重要影响, 在二级海况下, 扭簧刚度为6 N·m·rad-1时被动扑翼具有较高的推进效率和推进速度。

CFD仿真数据与试验数据具有相同的趋势, CFD仿真模型可靠度较高, 对波浪滑翔器被动扑翼机构设计具有指导意义。

02波浪滑翔器波浪驱动速度与海浪参数映射关系研究

孙秀军, 李宗萱, 杨 燕*, 等. 波浪滑翔器波浪驱动速度与海浪参数映射关系研究[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(5): 471-479.

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SUN Xiu-jun, LI Zong-xuan, YANG Yan, et al. Mapping Relationship between Wave Parameters and Wave-Driven Velocity of Wave Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(5): 471-479.

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计算机仿真或水槽实验的方法难以准确反映真实海况下的波高和波周期与波浪滑翔器的波浪驱动速度的映射关系。

文中采用“黑珍珠”小型波浪滑翔器搭载声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、波浪传感器和全球定位系统等载荷, 获得了波高、波周期、流速以及位置坐标等数据, 利用ADCP底跟踪模式测量的波浪滑翔器对地速度矢量减去ADCP测得的剖面流速矢量, 计算出波浪滑翔器的波浪驱动速度矢量, 建立波浪驱动速度与海浪波高和波周期的散点图, 并采用拟合曲线找出波浪驱动速度与海浪参数之间的映射关系。

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文中推导出的波浪驱动速度在一定参数范围内与波高呈正相关、与波周期呈负相关的预测模型, 可为波浪滑翔器的波浪动力转换机构优化设计提供指导。

03波浪滑翔器测波技术研究 * k! V2 c- g/ w/ K$ y1 Y. v4 D

秦玉峰, 齐占峰, 张 爽, 等. 波浪滑翔器测波技术研究[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(2): 135-146.

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QIN Yu-feng, QI Zhan-feng, ZHANG Shuang, et al. Research on Wave Observation Technology of Wave Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2021, 29(2): 135-146.

当前波浪观测主要采用波浪浮标进行定点观测, 利用波浪滑翔器等新型海洋移动观测平台进行走航式波浪观测的研究较少。

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针对此, 文章利用“蓝鲸”波浪滑翔器开展波浪滑翔器的测波可行性、测波方法及测波能力研究。介绍了波浪滑翔器的结构组成、工作原理和测波实现方法, 在分析波浪滑翔器和波浪浮标不同测波原理的基础上设置对比试验。

基于试验结果分析了波浪滑翔器和波浪浮标关于波高、波周期、波数及波向等波浪特征数据的差值和相关性, 解析差值存在机理并提出消除差值和修正波浪滑翔器观测数据的理论依据。

分析可知, 波浪滑翔器和波浪浮标相比, 波浪数据重合度较高, 差值较小, 相关性极高, 平均相关系数达到0.9以上, 数据质量可信度高, 验证了波浪滑翔器测波数据的准确性, 证明了波浪滑翔器用于波浪观测的可行性。

04波浪滑翔器水下牵引机抗扰动性能研究 ' r2 J/ C1 I J; o

桑宏强, 关海鹏*, 孙秀军, 等. 波浪滑翔器水下牵引机抗扰动性能研究[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(4): 376-381.

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SANG Hong-qiang, GUAN Hai-peng*, SUN Xiu-jun, et al. Research on Anti-Disturbance Performance of the Underwater Tractor for Wave Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(4): 376-381.

针对波浪滑翔器因自身的弱机动性原因而导致的在受到洋流干扰时无法良好保持其原有航向的缺点, 以及单纯采用控制系统来提高其抗流干扰性能, 带来的因系统频繁操舵导致的平台功耗增加以及操纵系统磨损的不足。

文中以“海哨兵”波浪滑翔器为研究对象, 从结构层面通过计算流体力学(CFD)技术分析不同牵引机展弦比、翼间距、翼板展弦比和不同洋流方向下的水下牵引机在洋流干扰下的航行轨迹, 来进一步分析水下牵引机抗流干扰的结构特点, 得到了水下牵引机相关结构参数与抗扰动性能之间的关系。

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文中的研究可为水下牵引机结构优化设计提供依据及参考。

05波浪滑翔器水下牵引机滑翔动力分析

孙秀军, 王力伟, 桑宏强. 波浪滑翔器水下牵引机滑翔动力分析[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(3): 252-258.

SUN Xiu-jun, WANG Li-wei, SANG Hong-qiang. Gliding Dynamics Analysis for Underwater Tractor of Wave Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(3): 252-258.

波浪滑翔器的纵向速度与水下牵引机结构参数有很大关系, 其中水下牵引机自重和水翼最大俯仰角对其影响尤为突出。

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文中以“海哨兵”波浪滑翔器为研究对象, 采用牛顿-欧拉方程建立水翼动力学模型, 对最优自重及最优角度进行计算流体力学仿真, 并将仿真结果与试验数据进行对比分析。

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分析结果可知, 受到多种因素的影响, 两者数据存在一定偏差, 但两者总体趋势相近, 数据显示20°俯仰角为水翼的最优俯仰角, 3级海况条件下, 45 kg的自重使得水下牵引机在下滑时间和下滑位移方面更加匹配波浪特性。

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文中在部分参数确定的情况下, 研究自重和俯仰角对波浪滑翔器推进效率的影响, 可为波浪滑翔器后续的参数优化和设计提供参考。

06波浪滑翔器柔性水翼推进性能数值仿真分析

刘芬, 彭 彬, 孙秀军, 等. 波浪滑翔器柔性水翼推进性能数值仿真分析[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(4): 374-382.

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LIU Fen, PENG Bin, SUN Xiu-jun, et al. Numerical Simulation Analysis of Flexible Hydrofoil Propulsion Performance for Wave Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2021, 29(4): 374-382.

水翼是波浪滑翔器波浪动力转换的关键部件, 直接决定了波浪滑翔器的航行性能。

文中研究了波浪滑翔器柔性水翼的推进性能, 根据波浪滑翔器工作时水翼的运动特点, 基于COMSOL Multiphysics软件仿真出柔性水翼主动升沉运动下被动变形的过程, 重点研究波浪参数、俯仰运动参数和斯特哈劳尔数对推进性能的影响。

仿真结果表明, 在一定范围内, 水翼推进性能随波高、斯特哈劳尔数的增大而增大, 随波周期的增大而减小; 当波周期较大时, 波高和波周期的变化对水翼推进性能的影响较小; 当俯仰周期与波周期相等时, 俯仰运动对水翼推进性能有积极作用。

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文中结果可为波浪滑翔器被动柔性水翼后续研究提供参考。

07波浪滑翔器波浪驱动速度与海浪参数映射关系研究 , [/ l4 M6 Y4 `6 }- f9 ^! ]

孙秀军, 李宗萱, 杨 燕*, 等. 波浪滑翔器波浪驱动速度与海浪参数映射关系研究[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(5): 471-479.

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SUN Xiu-jun, LI Zong-xuan, YANG Yan, et al. Mapping Relationship between Wave Parameters and Wave-Driven Velocity of Wave Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(5): 471-479.

计算机仿真或水槽实验的方法难以准确反映真实海况下的波高和波周期与波浪滑翔器的波浪驱动速度的映射关系。

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文中采用“黑珍珠”小型波浪滑翔器搭载声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、波浪传感器和全球定位系统等载荷, 获得了波高、波周期、流速以及位置坐标等数据, 利用ADCP底跟踪模式测量的波浪滑翔器对地速度矢量减去ADCP测得的剖面流速矢量, 计算出波浪滑翔器的波浪驱动速度矢量, 建立波浪驱动速度与海浪波高和波周期的散点图, 并采用拟合曲线找出波浪驱动速度与海浪参数之间的映射关系。

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文中推导出的波浪驱动速度在一定参数范围内与波高呈正相关、与波周期呈负相关的预测模型, 可为波浪滑翔器的波浪动力转换机构优化设计提供指导。

08“黑珍珠”波浪滑翔器南海台风观测应用 1 g7 a( U4 B+ i6 y% d' b5 O2 ^

孙秀军, 王雷, 桑宏强. “黑珍珠”波浪滑翔器南海台风观测应用[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(5): 562-569.

SUN Xiu-jun, WANG Lei, SANG Hong-qiang. Application of Wave Glider “Black Pearl” to Typhoon Observation in South China Sea[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2019, 27(5): 562-569.

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波浪滑翔器的台风观测技术在国外已经十分成熟并获得广泛应用, 但在国内仍处于技术层面。为拓展波浪滑翔器的应用范围, 国内学者利用“黑珍珠”波浪滑翔器在南海进行了为期17天的海试试验,首次对波浪滑翔器进行了台风观测应用尝试。

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文中介绍了“黑珍珠”波浪滑翔器的结构组成、工作原理及试验情况, 利用搭载的波浪传感器和声学多普勒流速剖面仪(ADCP)获取了台风经过时的波高、波周期和剖面流速等海洋动力环境数据, 并与浮标数据进行比对分析, 发现两者数据吻合度好、误差低、相关度高, 验证了波浪滑翔器所测数据的准确性, 证明了我国自主研制的“黑珍珠”波浪滑翔器具备极端海况观测的潜能, 填补了我国波浪滑翔器在台风观测应用领域的空白。

09波浪滑翔器纵向速度与波浪参数定量分析

桑宏强, 李 灿, 孙秀军. 波浪滑翔器纵向速度与波浪参数定量分析[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(1): 16-22.

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SANG Hong-qiang, LI Can, SUN Xiu-jun. Quantitative Analysis on Longitudinal Velocity and Wave Parameter of Wave Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(1): 16-22.

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波浪滑翔器纵向运动速度受海况影响而发生变化, 揭示波浪滑翔器纵向运动速度与浪高以及波周期之间的关系对提升和改进波浪滑翔器的动力性能具有重要意义。

以“海哨兵”波浪滑翔器为研究对象,首先建立波浪滑翔器动力学模型; 然后仿真获取其纵向速度与波高及波周期的定量关系; 最后试验获取波浪滑翔器在真实海况下的纵向速度, 并与仿真得到的理论值进行对比分析。

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研究结果表明, 波周期一定时, 波浪滑翔器纵向速度与波高的平方根成正比; 波高一定时, 波浪滑翔器的纵向速度与波周期的倒数成正比。

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通过动力学方程推导和试验数据分析, 建立了波浪滑翔器纵向速度与海浪参数的定量关系, 为波浪滑翔器结构参数优化和后续设计提供了依据。

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波浪滑翔器纵向运动速度受海况影响而发生变化, 揭示波浪滑翔器纵向运动速度与浪高以及波周期之间的关系对提升和改进波浪滑翔器的动力性能具有重要意义。

以“海哨兵”波浪滑翔器为研究对象,首先建立波浪滑翔器动力学模型; 然后仿真获取其纵向速度与波高及波周期的定量关系; 最后试验获取波浪滑翔器在真实海况下的纵向速度, 并与仿真得到的理论值进行对比分析。

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研究结果表明, 波周期一定时, 波浪滑翔器纵向速度与波高的平方根成正比; 波高一定时, 波浪滑翔器的纵向速度与波周期的倒数成正比。

通过动力学方程推导和试验数据分析, 建立了波浪滑翔器纵向速度与海浪参数的定量关系, 为波浪滑翔器结构参数优化和后续设计提供了依据。

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