發(fā)布時(shí)間：2019-01-12 14:50

【摘要】：海洋湍流對研究海洋中微觀和宏觀運(yùn)動(dòng)有重要意義,剪切流傳感器是目前測量海洋湍流的最有效工具。作為一種新型傳感器搭載平臺,水下滑翔機(jī)的出現(xiàn)為海洋湍流測量提供了新的契機(jī)。由于水下滑翔機(jī)具有能耗低、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),將剪切流傳感器與水下滑翔機(jī)進(jìn)行集成應(yīng)用,可使得長時(shí)序、大范圍的湍流測量成為可能。本文針對剪切流傳感器與水下滑翔機(jī)的有效集成問題,進(jìn)行如下研究工作。首先,考慮到剪切流傳感器工作要求和滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),對測量系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成條件分析和整體設(shè)計(jì)。其次,分析搭載方式和位置對湍流測量的影響,確定湍流測量系統(tǒng)在滑翔機(jī)上的最佳搭載方式和位置,并進(jìn)行基于湍流測量的水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)特性分析,同時(shí)分析了運(yùn)動(dòng)控制量對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的影響。同時(shí)考慮到測量平臺的振動(dòng)會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,使用相干函數(shù)分析振動(dòng)信號,并采用頻響函數(shù)進(jìn)行濾波,提高了測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。最后通過水池實(shí)驗(yàn)和海域?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證搭載剪切流傳感器后滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能及湍流測量的準(zhǔn)確性。本文主要研究成果包括:對湍流測量系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成條件分析及整體設(shè)計(jì)。一方面,為了滿足剪切流傳感器的正常工作要求,分析了測量系統(tǒng)集成過程中對水下滑翔機(jī)的約束,主要包括滑翔速度、共振頻率、攻角等。另一方面,對湍流測量系統(tǒng)的關(guān)鍵電子元器件進(jìn)行選型分析以及對外壓殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用計(jì)算流體力學(xué)方法分析不同的安裝方式和安裝位置對湍流測量的影響,確定安裝位置,并通過經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性指標(biāo)選擇較好的安裝方式。針對搭載有湍流測量系統(tǒng)的水下滑翔機(jī),基于動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,獲得水下滑翔機(jī)在縱垂面內(nèi)典型鋸齒運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,獲得控制量與狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系。研究了測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法,提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。運(yùn)用相干函數(shù)分析振動(dòng)信號與湍流信號的關(guān)系,評估振動(dòng)信號在不同頻段對湍流信號的影響程度,并通過頻響函數(shù)去除振動(dòng)信號,從而獲得準(zhǔn)確的湍流數(shù)據(jù)。將原始湍流信號和去除振動(dòng)干擾后的湍流信號波數(shù)譜分別與Nasmyth譜對比,評定該分析方法的準(zhǔn)確性。研制出湍流測量系統(tǒng)樣機(jī),并將其與水下滑翔機(jī)集成,進(jìn)行水池實(shí)驗(yàn)和海域?qū)嶒?yàn),驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)模型和使用滑翔機(jī)測量湍動(dòng)能耗散率的準(zhǔn)確性。
[Abstract]:Ocean turbulence is of great significance to the study of microscopic and macroscopic motion in the ocean. The shear flow sensor is the most effective tool for measuring ocean turbulence at present. As a new sensor platform, underwater glider provides a new opportunity for ocean turbulence measurement. Because the underwater glider has the advantages of low energy consumption and strong endurance, the integrated application of shear flow sensor and underwater glider can make it possible to measure turbulence in a long time series and a wide range. In this paper, the effective integration of shear flow sensor and underwater glider is studied as follows. Firstly, considering the requirement of shear flow sensor and the characteristics of glider motion, the system integration condition analysis and overall design of the measuring system are carried out. Secondly, the influence of loading mode and position on turbulence measurement is analyzed, and the optimal loading mode and position of turbulence measurement system on glider are determined, and the motion characteristics of underwater glider based on turbulence measurement are analyzed. At the same time, the effect of motion control on motion state parameters is analyzed. Considering that the vibration of the measuring platform will affect the accuracy of the measurement results, the coherence function is used to analyze the vibration signal and the frequency response function is used to filter the vibration signal, which improves the data accuracy of the measurement system. Finally, the kinematic performance of glider and the accuracy of turbulence measurement are verified by experiments in water pool and sea area. The main research results of this paper are as follows: system integration condition analysis and overall design for turbulence measurement system. On the one hand, in order to meet the normal working requirements of the shear flow sensor, the constraints on the underwater glider during the integrated measurement system are analyzed, including gliding velocity, resonance frequency, angle of attack and so on. On the other hand, the key electronic components of turbulence measurement system are selected and the external pressure shell is designed. The influence of different installation modes and installation positions on turbulence measurement was analyzed by using computational fluid dynamics (CFD) method, and the installation location was determined, and a better installation mode was selected through economic and stability indexes. Based on momentum theorem and momentum theorem, the dynamic equations of typical sawtooth motion of underwater glider in vertical and vertical plane are obtained, and the kinematic simulation is carried out for underwater glider with turbulence measurement system. The relation between the control quantity and the state parameter is obtained. The data processing method of the measurement system is studied, and the accuracy of the data is improved. The relationship between vibration signal and turbulence signal is analyzed by using coherence function, and the influence of vibration signal on turbulence signal is evaluated in different frequency bands, and the vibration signal is removed by frequency response function to obtain accurate turbulence data. The wave number spectrum of the original turbulence signal and the turbulent signal without vibration interference is compared with the Nasmyth spectrum, and the accuracy of the method is evaluated. A prototype turbulence measurement system was developed and integrated with an underwater glider to test the accuracy of the motion model and the measurement of turbulent kinetic energy dissipation rate.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U674.941;U665.2

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本文編號：2407899