基于能量利用的波浪驱动海洋移动观测平台的性能研究

Marine mobile observation platform is one of the most important devices for ocean 3D observation system and “transparent ocean” strategy. However, the energy supply is a bottleneck factor to limit the observation in large domain for long time. The cruising ability of marine mobile observation platform can be improved if the heave motion of wave is transformed into horizontal movement of marine mobile observation platform. Therefore, how to efficiently convert and utilize wave energy has important engineering significance for improving the movement performance of marine mobile observation platform. The project takes the marine mobile observation platform by wave-driven as the research object. Based on the fluid-solid coupling dynamics the wave energy can be utilized efficiently. By establishing the kinematic and dynamic models of marine mobile observation platform, nonlinear dynamic characteristics of the system are studied, and the performance is also studied under different wave parameters. The hydrodynamic characteristics of the swinging wing under different control parameters are analyzed, and the fluid-structure interaction multi-body dynamics model of the marine mobile observation platform is established. The effect of wave parameters and design parameters on the motion properties is investigated. Based on the principle of wave energy utilization, the process of absorption, transmission and utilization of ocean energy in marine mobile observation platform is investigated in order to improve utilization of wave energy and improve system performance. The research of this project can provide important theoretical basis and technical support for improving the movement performance of wave-driven mobile platform.

海洋移动观测平台是构建海洋立体观测体系、打造“透明海洋”的重要装备，但能量供给是限制其长时间大范围工作的瓶颈。若将波浪的起伏运动转化为海洋移动观测平台的水平运动，可使其续航能力得到突破，因而如何高效地将波浪能转化及利用对提高海洋移动观测平台的运动性能具有重要的工程意义。本项目以波浪驱动的海洋移动观测平台为研究对象，基于流固耦合动力学分析技术实现波浪能的高效利用。构建海洋移动观测平台的运动学和动力学模型，研究系统的非线性动力学行为特征，研究波浪参数对运动性能的作用；分析不同控制参数下摆动翼片的水动力学特性，建立海洋移动观测平台的流固耦合多体动力学模型，系统研究波浪参数、设计参数和运动性能之间的对应关系；基于波浪能利用原理研究海洋移动观测平台吸收、转换和利用波浪能的过程，改进波浪能量的利用率，提升系统的运动性能。本项目研究可为提升波浪直接驱动航行装置的运动性能提供重要的理论依据和技术基础。

目前水面移动观测平台大多以电或燃油为能源驱动前进，然而此类平台续航里程普遍不高，无法完成在长时间、大范围运动作业观测的需求。本项目将波浪的起伏运动转化为海洋移动观测平台的水平运动，可使其续航能力得到突破。本项目以移动观测平台为研究对象，建立了不同波浪参数下移动观测平台的频域与时域模型，分析了不同影响因素下的运动响应情况。基于凯恩方程建立了移动观测平台的多体动力学方程，分析了不同波浪环境参数下系统的性能，利用多体动力学软件对移动观测平台进行了整体动力学建模与仿真分析，获取了不同波浪参数以及扭簧刚度下系统的运动状态。基于水动力学理论建立了移动观测平台水下摆动水翼的流固耦合模型，分析了不同波高、波浪周期以及扭簧刚度对系统运动性能的影响。此外探讨了在不同的参数下前水翼与后水翼推力大小发生变化的原因，前水翼与后水翼达到最佳推进力所需的恢复刚度不同，在不同的参数下选择合适的扭簧恢复刚度，可以明显提高驱动船的性能。依据波浪能利用原理与海洋移动观测平台的内在关系，试制移动观测平台实验室样机，在波浪水槽内进行相关实验研究，分析了不同波高与波浪周期作用下，移动观测平台所受合力变化情况以及整体运动效果。