海底原位声学测量同步采样器的结构设计与分析

论文摘要

直接获得沉积物声学特性的方法主要有两种:原位测量和实验室测量。原位测量即将声学测量设备投放到海底直接对沉积物进行声学测量,此方法获得的沉积物声学特性保留了周围环境对沉积物所引起的效应,数据结果更可靠、准确;实验室测量需要获得沉积物样品,虽然所得的沉积物声学特性数据未考虑原位环境带来的影响,但只有通过这些样品我们才能直接获得沉积物的密度、孔隙度、颗粒组成、粒径、弹性模量等物理力学特性。所以原位测量和实验室测量对沉积物声学特性的研究各有所长,不可或缺。当前海底沉积物原位声学测量技术普遍存在无法同时实现沉积物分层测量和采集沉积物样品等问题,迫切需求能够测量沉积物分层特性同时一次实现样品采集的原位声学观测装备,以便高精度的认知海底沉积物的分层特征和各层的原位声学特性。本文设计了一种海底原位声学测量同步采样器结构,在实现海底沉积物原位测量的同时,采集沉积物样品,实现同一海底观测点海底声学原位测量和样品分析。本文主要研究内容如下:(1)设计了一种海底原位声学测量同步采样系统结构。根据系统的实际工况制定了系统的设计总则,完成了系统的总体方案设计。设计了声学探杆、温度测量探杆、原位测量头套筒组件,解决了原位测量设备在作业过程中可能发生丢失的问题,解决了原位测量设备电缆线的布置问题,可有效避免电缆线磨损破坏。完成了海底原位声学测量同步采样部件的加工制造。(2)分别对海底原位声学测量同步采样器在水中下落过程和贯入沉积物过程进行受力分析。(3)对海底原位声学测量同步采样器工作过程进行仿真分析。借助Fluent流体仿真平台对系统在水域阶段的工况进行了分析,得出了系统在下放过程、回收过程以及不同海流速度水平冲击下的阻力值、流场分布,总结了在实际作业过程中海水可能对系统产生的不利影响,验证了所设计的系统能够达到在水中保持较平稳状态的要求;基于Abaqus仿真平台,运用耦合欧拉拉格朗日方法对系统采样过程进行了有限元仿真分析,得出了贯入过程中采样管内壁摩擦力、外壁摩擦力以及端面阻力的演化过程,分析了采样管和沉积物的相互作用过程。(4)海底原位声学测量同步采样器室内模拟试验。制定了原位声学测量同步采样室内模拟试验方案,完成了海底原位声学测量同步采样部件的组装,模拟了具有水、泥质沉积物和沙质沉积物三种不同介质的海底环境,得到了在三种不同介质中脉冲波的传播特性,完成了系统采样过程,得到了沉积物样品。验证了所设计的系统可以同时实现原位声学测量和沉积物样品采集功能。本文通过仿真分析和实验分析,验证了本课题研究的海底原位声学测量同步采样器具备原位声学测量和沉积物采样双功能,为海底沉积物原位声学探测和海底估测提供了一种设备。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李伟林

导师: 邹大鹏,李春雷

关键词: 原位声学测量,采样器,结构设计与分析,流体仿真,有限元分析

来源: 广东工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,仪器仪表工业

单位: 广东工业大学

基金: 广东省省级科技计划项目:海底原位分层声学观测系统的关键技术研究(2017A010102012,2017.01.01-2019.12.31),国家自然科学基金项目:基于原位声学特性及其影响机制的南海深远海地声模型研究(41776043,2018.01.01-2021.12.31)

分类号: TH766.41

DOI: 10.27029/d.cnki.ggdgu.2019.001287

总页数: 76

文件大小: 2522K

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