深海重力式采样装置流固耦合特性研究

摘要

目前，人类对海洋的探索与开发不断挺进深海，海底沉积土层样本的获取变得十分重要，其对于勘探海底矿产资源、海洋工程地质勘察、维护国家权益等都具有重大意义。重力式采样装置作为目前获取海底表层土样的最主要设备，具有结构及工作原理简单、使用成本低的优点，但同时其在施放过程中的不可控性也导致容易出现倾斜、拖倒甚至取样管断裂的情况，严重影响取样工作的效率，造成时间和经济成本的损失。为了提高深水重力式沉积物采样器在缆绳等外部作用下的采样效率，本文基于OpenFOAM程序并通过动态重叠网格方法，模拟采样器在自由下落阶段及缆绳牵引作用下的运动过程，探究了自由下落初始倾角、缆绳释放速度对采样器运动及样本获取率的影响。 首先，应用动态重叠网格方法，并采用Newmark法和六自由度模块对结构在流体中的运动方程进行迭代求解，计算了球体、圆柱体在静水中自由下落过程，得到了下落速度的时历曲线及终端速度，并与文献结果或理论解进行对比。同时计算了球体、二维采样器模型在外加流场作用下的受力曲线，对比了两种方法的优劣性，验证了动态重叠网格方法在求解较大范围物体下落流固耦合问题的可行性和准确性。 其次，构建了采样器与流体相互作用时域耦合计算模型，对采样器自由下落姿态进行时域模拟，分析下落距离、下落速度以及采样器偏转角之间的相互关系。结果表明，采样器在理想的垂直状态下需具备足够的入土速度方能获取较高的取样率，而在具有初始倾角时，自由下落的距离则不宜过长。 最后，在六自由度约束条件中添加缆绳约束的程序代码，以实现给采样器添加大小和方向随采样器运动而改变的拉力。探究了缆绳下放速度不同时，采样器在水体和缆绳共同作用下的运动状态，及对采样率的影响。在缆绳垂直的情况下，随着下放速度的增加，横向水流力和横向系缆力的作用越明显，采样器的偏转角和横向偏移逐渐增大，但数值极小，基本对采样工作无影响。在海况良好、缆绳破断力满足要求的情况下，可适当增加下放速度，以提高取样工作效率。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 重力式采样装置概述

1.2.1 重力式采样设备基本结构和工作原理

1.2.2 重力式取样设备存在的问题

1.2.3 重力式取样设备的应用与研究现状

1.3 重叠网格技术的发展现状

1.4 本文的主要工作

2 基本理论及数值模拟方法

2.1 重力式采样装置基本理论

2.1.1 物体运动方程

2.1.2 终端速度

2.1.3 贯入深度

2.2 流场数学模型

2.2.1 流体力学基本方程

2.2.2 湍流数值模拟方法

2.3 数值模拟方法

2.3.1 有限体积法

2.3.2 压力-速度解耦

2.3.3 重叠网格方法

2.3.4 六自由度方法

2.4 本章小结

3 物体自由下落数值模拟

3.1 overInterDyMFoam求解器计算自由下落

3.1.1 球体自由下落

3.1.2 圆柱体自由下落

3.2 外加流场方法计算物体自由下落

3.2.1 外加流场对球体的作用

3.2.2 外加流场对采样器的作用

3.3 本章小结

4 重力式采样器自由下落数值模拟

4.1 二维重力式采样器自由下落

4.1.1 二维重力式采样器垂直下落

4.1.2 二维重力式采样器倾斜下落

4.2 三维重力式采样器自由下落

4.2.1 重力式采样器数值模型及边界条件

4.2.2 三维重力式采样器垂直下落

4.2.3 三维重力式采样器倾斜下落

4.3 本章小结

5 重力式采样装置缆绳牵引下落阶段数值模拟

5.1 缆绳约束力计算方法

5.2 缆绳约束条件的程序实现

5.3 模型及工况参数设置

5.4 数值模拟结果及分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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