CN114237314A - 一种基于主动控制振动翼板的海洋内波消波方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于主动控制振动翼板的海洋内波消波方法，先通过所述测量系统模块测量出内波作用在水下航行器上的水平、垂直方向上的压力，水下航行器当前所处位置上、下层的深度和密度分层，以及内波的声场参数；之后解出波方程，通过波形图得到内孤立波的振幅、波面形状和波的水平流速，将数据传输给数据处理模块；再将信息传输至控制中心。主动振动翼板模块根据控制中心传出的电信号指令，调整震振动的振幅、频率、相位等参数，使其与外来内波方向相反，但振幅、流速相同。将海洋内孤立波的检测和消除功能集成到一起，既可以对不同海域的内波进行检测与记录，还可以消除对水下航行器有威胁的内孤立波。

Description

一种基于主动控制振动翼板的海洋内波消波方法

技术领域

本发明属于海洋工程领域，涉及一种基于主动控制振动翼板的海洋内波消波方法，特别涉及一种利用主动控制振动翼板来减弱内孤立波对海洋航行器影响的方法。

背景技术

海洋内波是发生在海水密度跃层处的波动，可由任何微小扰动引发。它的波高范围广，流速大，波长范围宽，可传播数百公里而保持波形不变。对于在海洋中设置的航行器而言，内波的这些特有性质，对于其工作的安全性和整体效能具有极为不利的影响。

内孤立波(ISW)作为一种特殊的非线性海洋内波，其振幅大，周期短，能量大，严重影响水下航行器的安全性和耐波性。在内孤立波较为活跃的区域，悬置在跃层之上的航行器会随波做上下运动，在离海面距离较小时，内孤立波很有可能会将其抛出水面，从而严重影响工作任务执行的稳定性；而在跃层之下航行的水下航行器突然遭遇强非线性内孤立波时，会使其浮力突变，垂向力急剧增大，进而在短时间内突然大幅度下沉，这样轻则对航行器壳体或其附属结构造成损失，重则器毁人亡。因此，研究如何消除海洋内孤立波，不仅具有重要学术价值，还可以提高水下航行器在海洋内波环境下的适应能力。

基于此，可以在航行器上合适的位置增加一个振动的翼板来主动抵消海洋内波的变化。该翼板与控制装置相连接，可以根据内弧立波的情况实时调节振动幅度、相位等参数，进而控制航行器在海水中的绝对位置不变，从而提高水下航行器的综合性能、使用寿命和可靠度。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于主动控制振动翼板的海洋内波消波方法。目的是消除海洋内孤立波对水下航行器的影响，提出了一种利用主动振动翼板来消波的方法。包括利用测量内孤立波参数的测量系统模块所得到的数据，通过数据处理模块对数据的处理，控制中心利用得到的数据发出想用信号，消除内孤立波的主动振动翼板。另外通过分析海洋内孤立波和海洋航行器的相互作用关系，也可以确定上述翼板在水下航行器上的最佳安装位置。

技术方案

一种基于主动控制振动翼板的海洋内波消波方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过压力-密度传感器测试得到压力和密度的数据，通过测力传感器测定内波作用在航行器头部上的水平力和纵向力；

步骤2：利用压力p、深度H和密度ρ的关系p＝ρgH得到当前水下航行器所处位置的深度和上、下两层的密度分层Δρ；

步骤3：通过KdV方程y't+6yy'x+y”'x＝0解出对应内波的方程y＝15sech²((x-x₀)/d)，其中x₀为内波中心、d为内波的宽度；

步骤4：绘制波形图获取波的振幅、波速、频率、相位的数据；

步骤5：主动振动翼板模块根据控制中心传出的电信号指令，调整震振动的振幅、频率、相位参数，使其与外来内波方向相反，但振幅、流速相同。

有益效果

本发明提出的一种基于主动控制振动翼板的海洋内波消波方法，先通过所述测量系统模块测量出内波作用在水下航行器上的水平、垂直方向上的压力，水下航行器当前所处位置上、下层的深度和密度分层，以及内波的声场参数；之后解出波方程，通过波形图得到内孤立波的振幅、波面形状和波的水平流速，将数据传输给数据处理模块；再将信息传输至控制中心。主动振动翼板模块根据控制中心传出的电信号指令，调整震振动的振幅、频率、相位等参数，使其与外来内波方向相反，但振幅、流速相同。

本发明的创新点和有益效果主要有以下几点：

(1)确定了一种新型消除内孤立波的方法，弥补了采用消波堤、消波网等装置的不灵活性和工程复杂性。在水下航行器上的应用不仅可以提高水下航行器在工作环境中的安全性，还大大提升了其稳定性。

(2)将海洋内孤立波的检测和消除功能集成到一起，既可以对不同海域的内波进行检测与记录，还可以消除对水下航行器有威胁的内孤立波。

附图说明

图1是本发明的总体流程示意图

图2是主动振动翼板在水下航行器中的安装示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的目的是消除海洋内孤立波对水下航行器的影响，提出了一种利用主动振动翼板来消波的方法。包括测量内孤立波参数的测量系统模块、数据处理模块、控制中心和消除内孤立波的主动振动翼板。另外通过分析海洋内孤立波和海洋航行器的相互作用关系，也可以确定上述翼板在水下航行器上的最佳安装位置。

为实现上述目的，采用的技术方案是：先通过所述测量系统模块测量出内波作用在水下航行器上的水平、垂直方向上的压力，水下航行器当前所处位置上、下层的深度和密度分层，以及内波的声场参数；之后解出波方程，通过波形图得到内孤立波的振幅、波面形状和波的水平流速，将数据传输给数据处理模块；再将信息传输至控制中心。主动振动翼板模块根据控制中心传出的电信号指令，调整震振动的振幅、频率、相位等参数，使其与外来内波方向相反，但振幅、流速相同。

所述的测量系统模块主要包括压力-密度传感器、测力传感器和数据传输系统：压力-密度传感器用来实现压力和密度的数据采集；测力传感器是用来测定内波作用在航行器头部上的水平力和纵向力；数据传输系统是将获取到的数据准确快速的传递给数据处理模块。

所述的数据处理模块主要将压力-密度数据进行分析处理，得到水下航行器当前所处位置的深度和水下航行器上下两层的密度，然后进行潮位滤除及非线性动力学特征分析，根据数据分析与处理的结果，判别内孤立波是否到来。另外该模块也可将测得的内孤立波作用在航行器头部上的水平力、垂向力进行处理，比较出水下航行器的转动力矩与自身的回正力矩之间的差异。

所述的控制中心用于控制主动振动翼板工作。控制中心通过数据处理模块的计算结果给出相应的控制指令。当判断出内孤立波将要与水下航行器相遇时，控制翼板产生方向、相位相反，但振幅大小相同的水波。若水下航行器在模拟测试时受到内孤立波影响后，产生的转动力矩不等于自身的回正力矩，则控制中心可发出提示，从而确认上述翼板在水下航行器上使用时的最佳安装位置。

所述的主动振动翼板模块，主要由电机驱动翼板绕轴转动，从而形成稳定且有效的振动以抵消来波。

图1是本发明的总体流程示意图。

当水下结构物在水下正常工作时，测量模块处于工作状态，所述的测量模块中的压力-密度传感器收集所处海洋环境的压力、密度参数，测声传感器监测器身周围声场情况，将压力、密度、声学参数等通过数据传输通道输入数据处理模块。

所述的数据处理模块将传感器传来的数据进行分析处理，利用压力p、深度H和密度ρ的关系p＝ρgH得到当前水下航行器所处位置的深度和上、下两层的密度分层Δρ；

同时通过KdV方程y't+6yy'x+y”'x＝0解出对应内波的方程y＝15sech²((x-x₀)/d)，其中x₀为内波中心、d为内波的宽度；

根据上述结果判别内孤立波是否到来，进而通过绘制波形图获取波的振幅、波速、频率、相位等。

控制中心再根据内孤立波的上述特征，给出所需提供波的对应参数值，以电信号的形式调整施加在主动振动翼板上的振幅、频率、相位等，控制主动振动翼板动作实现消波。

再模拟实际环境使用时如果根据水平、垂直方向上的受力判断出力矩M与压力p、力臂l和航行器润湿面积S的关系M＝pSl求出航行器的转动力矩大于回正所需力矩时，上述主动振动翼板亦可发出振动，从而确认上述翼板在水下航行器上的最佳安装位置。

图2是主动振动翼板在水下航行器中的安装示意图。该翼板共两个，采用类似于飞机机翼的结构，侧面分别与水下航行器的重心所在水平面的两侧对称耦接(如图中黑色线框所示)。翼板前端有一根固定的轴，使该板实现绕轴振动；由于振动是随着内波的变化而变化来主动控制产生的，因此可以用于消波。同时内部对应的电动机和信号传输与控制系统可以在内波出现时及时通过施加方向相反、大小相等的振动来减弱内波对水下航行器的影响。

Claims (1)

1.一种基于主动控制振动翼板的海洋内波消波方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过压力-密度传感器测试得到压力和密度的数据，通过测力传感器测定内波作用在航行器头部上的水平力和纵向力；

步骤2：利用压力p、深度H和密度ρ的关系p＝ρgH得到当前水下航行器所处位置的深度和上、下两层的密度分层Δρ；

步骤3：通过KdV方程y't+6yy'x+y”'x＝0解出对应内波的方程y＝15sech²((x-x₀)/d)，其中x₀为内波中心、d为内波的宽度；

步骤4：绘制波形图获取波的振幅、波速、频率、相位的数据；

步骤5：主动振动翼板模块根据控制中心传出的电信号指令，调整震振动的振幅、频率、相位参数，使其与外来内波方向相反，但振幅、流速相同。

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