目前,人類對海洋的探索與開發(fā)不斷挺進深海,海底沉積土層樣本的獲取變得十分重要,其對于勘探海底礦產(chǎn)資源、海洋工程地質勘察、維護國家權益等都具有重大意義。重力式采樣裝置作為目前獲取海底表層土樣的最主要設備,具有結構及工作原理簡單、使用成本低的優(yōu)點,但同時其在施放過程中的不可控性也導致容易出現(xiàn)傾斜、拖倒甚至取樣管斷裂的情況,嚴重影響取樣工作的效率,造成時間和經(jīng)濟成本的損失。為了提高深水重力式沉積物采樣器在纜繩等外部作用下的采樣效率,本文基于OpenFOAM程序并通過動態(tài)重疊網(wǎng)格方法,模擬采樣器在自由下落階段及纜繩牽引作用下的運動過程,探究了自由下落初始傾角、纜繩釋放速度對采樣器運動及樣本獲取率的影響。首先,應用動態(tài)重疊網(wǎng)格方法,并采用Newmark法和六自由度模塊對結構在流體中的運動方程進行迭代求解,計算了球體、圓柱體在靜水中自由下落過程,得到了下落速度的時歷曲線及終端速度,并與文獻結果或理論解進行對比。同時計算了球體、二維采樣器模型在外加流場作用下的受力曲線,對比了兩種方法的優(yōu)劣性,驗證了動態(tài)重疊網(wǎng)格方法在求解較大范圍物體下落流固耦合問題的可行性和準確性。其次,構建了采樣器與流體相互作用時域耦合計算模型,對采樣器自由下落姿態(tài)進行時域模擬,分析下落距離、下落速度以及采樣器偏轉角之間的相互關系。結果表明,采樣器在理想的垂直狀態(tài)下需具備足夠的入土速度方能獲取較高的取樣率,而在具有初始傾角時,自由下落的距離則不宜過長。最后,在六自由度約束條件中添加纜繩約束的程序代碼,以實現(xiàn)給采樣器添加大小和方向隨采樣器運動而改變的拉力。探究了纜繩下放速度不同時,采樣器在水體和纜繩共同作用下的運動狀態(tài),及對采樣率的影響。在纜繩垂直的情況下,隨著下放速度的增加,橫向水流力和橫向系纜力的作用越明顯,采樣器的偏轉角和橫向偏移逐漸增大,但數(shù)值極小,基本對采樣工作無影響。在海況良好、纜繩破斷力滿足要求的情況下,可適當增加下放速度,以提高取樣工作效率。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：P715
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 重力式采樣裝置概述
        1.2.1 重力式采樣設備基本結構和工作原理
        1.2.2 重力式取樣設備存在的問題
        1.2.3 重力式取樣設備的應用與研究現(xiàn)狀
    1.3 重疊網(wǎng)格技術的發(fā)展現(xiàn)狀
    1.4 本文的主要工作
2 基本理論及數(shù)值模擬方法
    2.1 重力式采樣裝置基本理論
        2.1.1 物體運動方程
        2.1.2 終端速度
        2.1.3 貫入深度
    2.2 流場數(shù)學模型
        2.2.1 流體力學基本方程
        2.2.2 湍流數(shù)值模擬方法
    2.3 數(shù)值模擬方法
        2.3.1 有限體積法
        2.3.2 壓力-速度解耦
        2.3.3 重疊網(wǎng)格方法
        2.3.4 六自由度方法
    2.4 本章小結
3 物體自由下落數(shù)值模擬
    3.1 overInterDyMFoam求解器計算自由下落
        3.1.1 球體自由下落
        3.1.2 圓柱體自由下落
    3.2 外加流場方法計算物體自由下落
        3.2.1 外加流場對球體的作用
        3.2.2 外加流場對采樣器的作用
    3.3 本章小結
4 重力式采樣器自由下落數(shù)值模擬
    4.1 二維重力式采樣器自由下落
        4.1.1 二維重力式采樣器垂直下落
        4.1.2 二維重力式采樣器傾斜下落
    4.2 三維重力式采樣器自由下落
        4.2.1 重力式采樣器數(shù)值模型及邊界條件
        4.2.2 三維重力式采樣器垂直下落
        4.2.3 三維重力式采樣器傾斜下落
    4.3 本章小結
5 重力式采樣裝置纜繩牽引下落階段數(shù)值模擬
    5.1 纜繩約束力計算方法
    5.2 纜繩約束條件的程序實現(xiàn)
    5.3 模型及工況參數(shù)設置
    5.4 數(shù)值模擬結果及分析
    5.5 本章小結
6 結論與展望
    6.1 結論
    6.2 展望
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況
致謝

【相似文獻】

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本文編號：2841239