【摘 要】
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海洋内波是一种常见的水下波动现象,它对海洋资源的开发、海洋中物质和能量运输有着重大的影响。通过对海洋内波的观测,可以实时根据内波的传播速度和时间进行预测、预报和预警,这对海洋油气开发的内波预警安全具有非常重要的意义。本文设计了一种海洋内波回声观测系统,并对其影响因素进行了模拟分析,进而通过海试实验对其观测性能进行了对标分析。海洋内波回声观测系统需要在我国南海北部的陆坡区进行长期、定点观测,根据该海
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海洋内波是一种常见的水下波动现象,它对海洋资源的开发、海洋中物质和能量运输有着重大的影响。通过对海洋内波的观测,可以实时根据内波的传播速度和时间进行预测、预报和预警,这对海洋油气开发的内波预警安全具有非常重要的意义。本文设计了一种海洋内波回声观测系统,并对其影响因素进行了模拟分析,进而通过海试实验对其观测性能进行了对标分析。海洋内波回声观测系统需要在我国南海北部的陆坡区进行长期、定点观测,根据该海域的环境条件,确定了该系统的技术指标。本文首先针对声学多普勒海流剖面仪（Acoustic Doppler current profile,ADCP）,设计了一种小型观测搭载设备浮标,并对其初稳性和固有周期进行了校核计算。然后优化设计了浮标的浮体外形,通过fluent软件对搭载设备浮标的流场进行分析,分析结果表明浮体底部倒角优化后的模型受到的水流作用更小、稳定性能更好;进一步通过流固耦合的方法对优化后模型的结构强度进行了模拟分析,结果均满足要求。75k ADCP对搭载设备浮标在海水中姿态有较高的要求,因此使用了Workbench AQWA软件对搭载浮标进行了水动力分析,分析结果表明:在该观测海域波浪的主要能量周期内,浮标横摇和纵摇的角度比较小,稳定性能良好,满足75k ADCP仪器的观测要求;在高频波浪的影响下,浮标的横摇和纵摇角度变化较大,在周期为3s时,波浪的横摇角度甚至超过40°,这可能浮标模型的固有频率有波浪频率发生共振导致的。为了使模拟更接近真实海域环境,通过加入不规则波浪谱和风谱的方法,模拟了给定海况的频域运动,结果表明:当波浪高度在2～4m时,横摇和纵摇统计结果的有义值均没有超过20°,可以保证75k ADCP仪器所观测得到的数据准确且不失效。波浪高度5m时,在部分角度波浪方向,浮标横摇或纵摇的角度可能会超过20°,导致仪器观测数据失效。最后,对设计的海洋内波回声观测系统加工完成后,在我国南海北部海域进行了海试实验。首先通过实验数据对搭载浮标的模拟结果进行了验证,证明了模拟横摇和纵摇结果的准确性;其次,对回声观测的数据和在同一位置处潜标温盐链观测的数据进行处理,通过具有典型内波特征的连续8天的对标分析,结果表明:回声观测的性能良好,回声强度图像可以清晰看出内波的发生。
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