海水“断崖”潜水器掉深机理及运动特性研究

Internal solitary waves are one kind of internal waves with big amplitude and long propagation in stratified ocean. There is density jump at the interface of the waves. When a submersible passes through internal solitary waves, it will probably plunge induced by the unequilibration buoyancy in the pycnocline. At this moment, its kinematic stance changes strongly and it may be lost control because of shearing flow field. This project intends to research two key scientific issues in order to design the submersible and make sure its safety in the ocean, one is the mechanism of complex loads on submersible, the other is establishing it's kinematic equations with big amplitude, long period and large attack angle. The character of submersible's loads and motion caused by internal solitary waves are to be analyzed. The mechanism of unstable motion is to be revealed. The control theory of safety voyage is also to be explored. The research results is significant to improve the submersible's maneuverings and navigation safety and to promote the development of internal waves hydrodynamics.

内孤立波是分层海洋中产生的一种振幅大、传播距离远的海水内部波动。波面上方和下方存在密度跃变,潜水器穿越内孤立波时,浮力不均衡,就会产生所谓的“断崖”掉深运动，内孤立波诱发的剪切流动还可导致潜水器运动姿态发生突变甚至失控。本项目从设计研制潜水器以及执行任务活动的安全需求出发，围绕分层海洋中内孤立波作用下潜水器复杂力学载荷形成机理以及潜水器大幅度长周期大攻角运动的数学建模两个关键科学问题开展研究，分析内孤立波作用下潜水器的受力特性和运动响应规律，揭示内孤立波作用下潜水器的运动失稳机制,探索内孤立波作用下潜水器的安全航行控制原理，对于提高潜水器的操纵性能和安全性能有着重要的工程意义，对于促进海洋内波动力学的发展也有着非常重要的科学意义。

我国沿海尤其是南海存在的内孤立波对潜水器的危害极大，从研制潜水器以及执行任务的需求出发，针对断崖内孤立波这一破坏力强的海洋现象，建立了内孤立波作用下潜水器水动力载荷和运动响应的数值模拟方法、理论预报方法，阐明了海水断崖潜水器掉深的水动力学机理，初步掌握了内波作用下潜水器的运动特性，并对安全性进行了评估，对抗掉深措施进行了探索。.基于内孤立波理论和多相流模型采用STARCCM建立了内孤立波作用下潜体模型的水动力特性和运动响应特性数值模拟方法，并在水池中开展了模型试验，验证了数值模拟方法的正确性。.潜器受内孤立波水动力和分层密度差静力共同作用，研究表明，穿越波面的情况下，潜器所处的流体密度变化起了决定性作用，垂向力比纵向力大一个量级；潜器始终位于波面上方或下方时，受内孤立波流场的影响，其水动力性能也产生了明显的变化。.内孤立波作用下潜器运动响应研究表明，潜器处于分层交界面时，潜器随波面起伏，呈“随波逐流”状态，潜器的垂荡值与内孤立波的波幅基本一致，潜器的纵摇角由内孤立波的波倾角决定；潜器处于分层交界面上或分层交界面下时，受内孤立波流场水动力作用，潜器也产生了明显的垂荡、纵荡和纵摇。.采用操纵性方程和内波流场方程，基于弱耦合的假定，建立了内孤立波作用下潜器运动响应的理论预报模型，通过对不同航行深度、不同速度下内孤立波作用时潜器力学载荷和运动特性的综合分析，给出了选择合适的航行深度和速度的总体策略，以及断崖极限情况下潜水器抗掉深应急上浮措施。.本项目通过对断崖内孤立波作用下潜器掉深机理及运动特性的研究，建立了潜器内波载荷与运动响应的预报方法和层化海洋内波环境水池模拟能力,拓展了舰船水动力学的研究范围，促进了深海环境动力学的发展。未来将着力围绕解决深海装备环境效应问题，深入开展层化海洋动力环境中深海装备运动响应及控制方法研究，提升我国深海开发的能力。