目前,人類對海洋的探索與開發(fā)不斷挺進(jìn)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(zhì)勘察、維護(hù)國家權(quán)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(shè)備,具有結(jié)構(gòu)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(dǎo)致容易出現(xiàn)傾斜、拖倒甚至取樣管斷裂的情況,嚴(yán)重影響取樣工作的效率,造成時間和經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(yùn)動及樣本獲取率的影響。首先,應(yīng)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(jié)構(gòu)在流體中的運(yùn)動方程進(jìn)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(xiàn)結(jié)果或理論解進(jìn)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(zhǔn)確性。其次,構(gòu)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(jìn)行時域模擬,分析下落距離、下落速度以及采樣器偏轉(zhuǎn)角之間的相互關(guān)系。結(jié)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(yùn)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(yùn)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(zhuǎn)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(dāng)增加下放速度,以提高取樣工作效率。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(shè)備基本結(jié)構(gòu)和工作原理
        1.2.2 重力式取樣設(shè)備存在的問題
        1.2.3 重力式取樣設(shè)備的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀
    1.3 重疊網(wǎng)格技術(shù)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(yùn)動方程
        2.1.2 終端速度
        2.1.3 貫入深度
    2.2 流場數(shù)學(xué)模型
        2.2.1 流體力學(xué)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(jié)
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(jié)
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(jié)
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?qū)崿F(xiàn)
    5.3 模型及工況參數(shù)設(shè)置
    5.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析
    5.5 本章小結(jié)
6 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 孔丹雅;馬哲;王胤;翟鋼軍;;二維重力式采樣器觸地姿態(tài)及采樣率分析[J];海洋工程裝備與技術(shù);2018年S1期

2 黃玉虎;李東晨;秦建平;任碧琪;韓凱麗;王軍玲;;道路積塵濕式采樣器研發(fā)與測試評價[J];環(huán)境工程學(xué)報;2017年03期

3 劉源;凌杰;陳家旺;;水下采樣器初步設(shè)計與試驗研究[J];中國水運(yùn)(下半月);2017年05期

4 殷秀峰;康世昌;張巍;童銀棟;王學(xué)軍;張強(qiáng)弓;;大氣汞被動采樣器研究進(jìn)展[J];地球與環(huán)境;2016年02期

5 杜正健;莫金漢;李欣笑;徐秋健;;被動采樣器設(shè)計方法及應(yīng)用效果研究[J];暖通空調(diào);2013年12期

6 尹洪銀;邵華;高希寶;;被動式采樣器的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J];環(huán)境與健康雜志;2008年01期

7 尹洪銀;邵華;高希寶;;氣體被動式采樣器的研究進(jìn)展[J];中國衛(wèi)生檢驗雜志;2007年03期

8 尹洪銀;邵華;高希寶;張春玲;;管式個體采樣器測定空氣中甲醛的研究[J];中國衛(wèi)生檢驗雜志;2007年12期

9 尹洪銀;邵華;高希寶;;被動式采樣器的研究進(jìn)展[J];中華勞動衛(wèi)生職業(yè)病雜志;2007年05期

10 楊麗霞;王安;楊正慶;;石油類廢水采樣器分析[J];環(huán)境科學(xué)與管理;2006年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 劉偉;深海熱液保壓采樣器的關(guān)鍵技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2007年

2 殷參;月壤采樣器鉆進(jìn)動力學(xué)分析與試驗研究[D];中國礦業(yè)大學(xué)（北京）;2012年

3 吳世軍;深海熱液保真采樣機(jī)理及其實現(xiàn)技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2009年

4 榮姣鳳;移動式風(fēng)蝕風(fēng)洞研制與應(yīng)用[D];中國農(nóng)業(yè)大學(xué);2004年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 孔丹雅;深海重力式采樣裝置流固耦合特性研究[D];大連理工大學(xué);2019年

2 金華杰;深海保壓防污物采樣器設(shè)計與研究[D];浙江大學(xué);2019年

3 龔靜;基于滲透泵和液相微萃取的水體污染物時間序列濃度被動采樣器的研制及初步應(yīng)用[D];廈門大學(xué);2017年

4 裴俊賢;滲透泵時間序列采樣器的改進(jìn)及其在水環(huán)境營養(yǎng)鹽監(jiān)測中的應(yīng)用[D];廈門大學(xué);2018年

5 柳世波;自動換膜懸浮顆粒物采樣器設(shè)計[D];浙江工業(yè)大學(xué);2019年

6 馬共耀;深海水體序列采樣器密封可靠性與自動釋放回收技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2014年

7 韓遠(yuǎn)飛;智能雙路恒溫恒流器大氣連續(xù)采樣器[D];青島科技大學(xué);2018年

8 陳彪;吸納式星壤采樣器設(shè)計與分析[D];北華航天工業(yè)學(xué)院;2018年

9 李思龍;管式被動式采樣器測定空氣中酯類化合物的研究[D];濟(jì)南大學(xué);2014年

10 尹洪銀;被動式采樣器測定空氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物的研究[D];山東大學(xué);2007年

本文編號：2841239