球形波浪浮標結(jié)構(gòu)參數(shù)對其升沉運動性能的影響.pdf

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1、第33卷第3期2014年6月海洋技術(shù)學報JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．33，No．3Jun。2014球形波浪浮標結(jié)構(gòu)參數(shù)對其升沉運動性能的影響孫東波，張鎖平，齊占輝，董濤，趙江濤(舊家海洋技術(shù)Ih心，天津300112)摘要：對球形波浪浮標進行了靜力學分析，并結(jié)合球形波浪浮標吃水線的一般設(shè)計要求得出了球形波浪浮標的平均密度與海水密度的關(guān)系式。利用球形波浪浮標在受到波浪激勵時的運動響應(yīng)方程并結(jié)合球形波浪浮標的結(jié)構(gòu)參數(shù)特點，得出了球形波浪浮標在波浪激勵下的升沉運動振幅與激勵波浪振幅相一致的理論條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)。以

2、國家海洋技術(shù)中心最新研發(fā)的直徑480iIlln球形波浪測量浮標為研究對象，結(jié)合海洋表面波分類特征，研究了該球形浮標體在常規(guī)波浪激勵下的升沉運動響應(yīng)的相關(guān)性能．并給出了在測量不同周期的波浪時，該球形浮標體升沉運動的理論響應(yīng)振幅系數(shù)。通過以上分析得出了直徑480nllTl球形波浪測量浮標在測量周期為1S以上的波浪時具有非常優(yōu)越的隨波浪升沉運動的性能。文章的相關(guān)分析為球形波浪浮標的進一步研究提供了理論基礎(chǔ)。，關(guān)鍵詞：波浪；浮標；運動性能；升沉運動；波高中圖分類號：P715．2文獻標志碼：A文章編號：1003—2029(2014)03—0

3、023—04利用波浪浮標對海浪進行表面測量是獲取海浪數(shù)據(jù)的重要手段之一。浮標體在波浪的作用下在海面做豎直方向升沉運動和浮標體自身的橫搖運動。對于波浪浮標來說，浮標體的升沉運動對波浪參數(shù)的測量起主要作用。浮標體內(nèi)的傳感器可以測量浮標體的運動參數(shù)，經(jīng)過計算分析獲取波浪的波高、周期和波向等參數(shù)。浮標體在海面波浪的作用下主要受到重力、浮力、波浪激勵、海水粘滯力及慣性力等各種作用力的影響，受力情況非常復雜。所以，研究浮標體隨波浪升沉運動特性對提高波浪浮標的測波精度有非常重要的作用舊。目前，以波浪騎士為代表的大多數(shù)波浪浮標的浮標體均采用球形設(shè)

4、計。球形浮標體在波浪浮標領(lǐng)域的優(yōu)越性得到了實踐證明㈣。本文從分析球形波浪浮標的靜力學特點人手，在浮標體升沉運動方程的基礎(chǔ)上，代人了球形波浪浮標結(jié)構(gòu)參數(shù)，推導了球形波浪浮標升沉運動的相關(guān)公式，得出了球形波浪浮標獲得較好升沉運動性能的條件。圖l球形波浪浮標靜力學分析1球形波浪浮標靜力學分析球形波浪浮標在靜止水面上的受力情況如圖1所示。在水面靜止無波浪時，浮標體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為海水密度；g為重力加速度；V為浮標收稿日期：2014一01—13基金項目：天津

5、市自然科學基金資助項目(13JCQNJC03800；12JCQNJC02400)作者簡介：孫東波(1984一)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為海洋觀測技術(shù)。Email：sundongbo_haiyang@126．COIII24海洋技術(shù)學報第33卷體排開水的體積；p。為浮標體平均密度；V。為浮標體體積。水面與處于平衡狀態(tài)的浮標體的交線，稱為吃水線。對于球形波浪浮標來說，其吃水線可以根據(jù)設(shè)計要求通過調(diào)整浮標體重量進行調(diào)整，一般將球形波浪浮標的吃水線設(shè)計為球形的水平幾何中心線。因此有V，=2V，代人公式(1)得：1pl=÷p(2)

6、二從式(2)可以看出，球形波浪浮標的平均密度為海水密度的112。2球形波浪浮標升沉運動性能在波浪的激勵下，球形波浪浮標作升沉運動。研究球形波浪浮標的升沉運動方程時，將球形波浪浮標看做是位于其球心的一個質(zhì)點。坐標規(guī)定如圖2所示，選擇靜止水面作為參考水平面，波浪沿x方向傳播，z軸方向垂直于水平面向上。設(shè)波浪的振幅為A，波浪的振動頻率為∞，波浪運動方程為z--Asin(∞￡)，浮標的質(zhì)量為m。浮標所受到的海水粘性阻力與其運動速度成正比14-5]。在靜止水面情況下，浮標在重力和浮力作用下處于靜態(tài)平衡，當浮標受到波浪激勵時，浮標所受浮力發(fā)生

7、變化。浮力變化為：Af=-psg(z-Asinwt)；浮標所受阻力為：9=一c(粵-Atoco馴t)Ot式中：P為海水的密度；S為浮標等效截面積；g為重力加速度；彳為浮標豎直方向位移；C為阻力系數(shù)。Z0I8A艤／I＼水平面一圖2球形波浪浮標升沉運動坐標系根據(jù)牛頓第二定律，得出：m爭=-psg(z-Asin訓-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分別為自由阻尼振動的初始振幅和相位差常數(shù)；2a：旦(4)∞o鰹(5)P=√∞；一62∞>6)——26603妒2am‘a(chǎn)n—(

8、260J)2+CO—02(0。2_(02)肚；絲至±墮√462∞2+(西一∞22(6)式(3)為球形波浪浮標在波浪中的運動方程，其右邊第一項為自由阻尼振動，第二項為受迫振動。在一的作用下，當時間t足夠長時，自由阻尼振動的振幅趨近于零。這時浮標的運動