SPH方法核近似形式改进及算法研究

光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法是一种无网格拉格朗日粒子法,目前在流体力学领域以及大变形和冲击载荷等问题的模拟方面具有广泛的应用,众多学者在SPH算法方面开展了大量的研究,以提高SPH算法的计算速度和精度.针对现有SPH方法在边界附近粒子近似精度下降的问题,本文在CSPH方法和MSPH方法基础上提出了一种改进的核近似形式,在求解场函数、一阶导数近似值以及二阶导数近似值过程中,对含二阶导数项的方程进行优化,减少了二阶导数项近似值的求解个数,相比MSPH方法减少了计算量.此外,本文基于改进的SPH算法,建立了二维数值波浪水槽模拟推板造波,通过数值模拟造波将SPH算法生成的波浪参数与理论值进行对比,验证了改进的SPH方法在波浪生成和传播上具有较好的模拟效果,为后续研究内波、畸形波以及非线性波相互作用提供了算法研究基础.     

波浪数值预报可视化系统的设计与实现

针对全球及中国近海海域,采用第三代海浪数值模式WAVEWATCHIII建立波浪数值预报模型,由此计算得到研究区域的波要素。基于预报模型计算结果建立波浪数值预报可视化系统,采用MSchart控件实现了全球及中国近海海面风场输入口功能和单点波要素静态图显示功能,同时依据提供的全球及中国近海海面风场预报7天全球及中国近海海浪场,采用GRADS软件实现全球及中国近海预报波浪场动态可视化的功能。     

阿基米德浮子式波浪发电系统的无源控制

针对波浪随机性变化的特性,本文提出了一种基于无源性理论的波浪发电最大功率捕获控制方法.首先提出了阿基米德浮子式(AWS)波浪发电系统的欧拉–拉格朗日(E--L)模型,其包含了系统的机械部分和电气部分,之后充分利用波浪发电系统的结构性特点,设计与系统动力学特性相匹配的控制器,通过注入阻尼和调整系统能量分配的措施,改变了系统有功和无功的分布,使得系统获得良好的快速响应能力,实现了任意波浪力输入下的波浪发电最大功率捕获控制,并有良好的动态特性.最后通过可控整流桥实现控制,控制方法易于实现.     

SAR探测水下运动物体波浪尾迹的模拟研究

水下运动物体可以在海面产生波浪,这种波浪与海洋表面波相互作用改变了海浪谱的高低频分布而形成波浪尾迹。将这样的波-波相互作用处理为对背景海浪谱的扰动,利用海面微波散射的二尺度模型,分析波浪尾迹对雷达散射系数的影响,并给出相应的数值计算模型;对水下不同运动状态物体的波浪用汇源分布法计算出波面函数,将它们分别与一些特定海况的海浪波面函数叠加,并对之进行微波后向散射测量仿真计算,给出波浪尾迹的SAR(Synthetic Aperture Radar、合成孔径雷达)探测图像;再利用二维谱分析技术对模拟SAR图像进行处理,提取波浪尾迹信息。初步结果表明,SAR探测下运动物体是可行的。
     

范佘明:基于模拟器的船舶航行性能虚拟测试系统

用于航海模拟器的仿真模型既要简单以满足实时性的要求,又要有足够的精度以满足测试精度的要求,通过操纵运动与波浪诱导运动的叠加来模拟船舶在波浪上的运动。操纵运动通过求解基于水动力分析的运动微分方程得到,仅考虑二阶波浪力对操纵运动的影响。船舶在不规则波上的运动响应简化为许多规则波上运动响应的叠加。     

北斗浮标现场原位计量比对研究

波浪浮标是长期定点、全天时、全天候测量波浪参数的重要设备之一.我国3个海区布放了数百台波浪浮标.为确保浮标监测数据准确可靠,亟需开展浮标现场校准技术的研究工作.研究人员依托我国日益成熟、独立自主的北斗卫星导航定位系统,选用高精度的载波相位差分RTK技术,攻克高精度高程定位、卫星信号丢失、数据传输错误等技术难题,研究基于北斗浮标的现场校准技术.为评价研究成果,选取Waverider浮标,在青岛海域进行计量比对现场试验.海试结果显示,北斗浮标满足国家相关技术规范要求,两套浮标技术性能基本一致,可满足波浪三要素(波高、波周期、波向)同时计量校准需求.北斗浮标可替代Waverider浮标,为我国波浪参数量值传递提供了一种新途径.     

基于CFD的船舶斜浪三自由度运动仿真研究

针对船舶在斜浪中的多自由度耦合运动问题, 建立了三维粘性流耐波性数值波浪水池, 采用边界条件造波法生成高精度的斜向规则波, 通过同时求解RANS方程和刚体运动学方程, 结合网格整体移动方法和滑移网格方法, 实现了船舶斜浪航行的垂荡、纵摇及横摇三自由度耦合运动数值模拟。给出了DTMB5512船模斜浪中的垂荡、纵摇及横摇的频率响应函数, 与线性切片理论计算结果进行比较, 吻合良好。该方法可为船舶斜浪航行的耐波性预报提供一种有效的途径。     

水上飞机运动及系泊性能计算方法研究

波浪环境下水上飞机的系泊性能直接影响飞机的使用效能和寿命。针对水上飞机系泊性能预报问题,采用海洋工程领域多点系泊方式对水上飞机进行定位。基于势流理论,考虑系泊线与飞机间的水动力耦合,以及系泊线的非线性特性,对系泊状态下的水上飞机开展频域和时域数值模拟。对规则波和不规则波中的飞机运动响应和系泊线张力进行时历统计。结果表明,在迎浪状态下,飞机首部系泊线张力最大,同时在三级海况条件下,各系泊线的张力最大值均小于破断张力,系泊系统处安全状态。这一结果可为水上飞机系泊系统的设计与安全评估提供参考。     

基于物理模型的水波动画

近年来，自然景物的模拟一直是计算机图形学中最具挑战性的问题之一。关于山、水、云、烟、火焰等自然景物的模拟，在计算机游戏、影视、广告等各种领域中有着广泛的用途。作为自然景物模拟的重要内容，对流水、波浪的模拟正日益引起人们的关注。本文基于二维浅水波方程模型，给出了一种实现水波动画的数值模拟方法。和以往的方法不同的是，本文既没有去特意构造具体的波形函数，也没有去求解复杂的Navier-Stokes方程，而是基于二维浅水波方程模型，采用隐式半拉格朗日积分方法进行求解，在保证稳定性的同时，可以允许大时间步长。实践证明，用该算法模拟水波，效果比较真实，而且在普通的PC平台上即可满足一般动画的实时需求。     

基于GPS的移动供水控制系统设计

北方冬季气温低,港口的露天供水槽容易结冰,导致无法取水,针对北方煤炭运输港口冬季喷水防尘供水难的问题,提出了以PLC、GPS、无线模块、水位传感器等构建基于GPS的移动供水控制系统,以移动水槽代替固定水槽,并利用GPS对移动水槽进行实时定位,该系统成功应用于秦皇岛煤炭运输港口,降低了水槽供热的费用和难度,取得了预期效果。     

波浪浮标服务器端软件设计

传统采用VHF通信的波浪浮标系统需要架设岸站接收机,采用GPRS无线通信解决方案的波浪浮标系统可以省去岸站接收机的费用,并且性能更加稳定可靠。本文主要介绍了服务器端通信模块的设计、数据处理处理模块的设计。软件的编辑使用VisualC++6.0软件,通信模块的设计采用MFC封装的CSocket类,CSocket类派生于完全封装了WindowsSocketsAPI函数的CAsyncSocket类,采用CSocket类可以更加方便地编写网络应用程序。数据处理模块采用了MATLAB与VisualC++混合编程,利用MATLAB留有的动态链接库DLL外部接口可以很方便地将MATLAB功能嵌入到VisualC++的MFC工程中,利用MATLAB与VisualC++混合编程可以方便地进行海浪频谱分析。     

SZF波浪浮标双通信数据接收回放系统

该系统目的是作为SZF波浪浮标的上位机接收软件,采用Microsoft Visual Studio 2005作为软件平台,利用Visual C＋＋开发语言编写。上位机采用串口通信的方式分别通过GSM模块和数据接收机与浮标进行通信,实时接收浮标传送过来的数据,并且利用ADO数据库开发技术访问Access2007,实现对数据的保存。在实现波浪浮标数据实时显示与数据库存储同步进行的基础上添加了数据回放功能,可以主动索取存储在接收机上的波浪数据,并将其进行处理与转换。目前该数据通信软件已成功应用于有关的海洋工程部门单位,运行可靠。     

一种浮标被动跟踪系统模型

分析水下目标跟踪与浮标跟踪的特点和实现难度,提出一种水下目标跟踪系统模型。将被动时差定位的解算方程与水下目标的实际运动相结合,采用扩展卡尔曼滤波算法,分析水下目标的跟踪问题及其每一时刻的置信椭圆。仿真结果表明在较低的采样率下,滤波器仍可以收敛,证明该系统模型的可行性。     

圆柱形浮标运动分析与仿真

圆柱型浮标通常作为海洋监测设备的稳定工作平台,对波浪激励下浮标的升沉运动位移和横摇角度会影响空中无线通信质量.针对浮标加强姿态稳定性要求,通过对浮标体在波浪中的受力分析、力矩与惯量分析,建立浮标运动传输函数模型,讨论浮标重力、设计尺寸对浮标运动的影响.通过浮标设计参数的调整,通过浮标固有的谐振频率与波浪激励的峰值频率分离,降低波浪激励对浮标运动的影响.计算了不同海况激励下浮标在垂直方向的升沉位移与水平方向的横摇角度,与实验数据验证仿真方法的有效性,在仿真的基础上,进一步给出了圆柱形通信浮标的设计改进建议,有效地提高了圆柱型浮标的稳定性.     

基于机会网络的海洋浮标数据分发技术研究

机会网络是无线传感器网络的新发展,具有不要求网络全连通的特点,与海洋浮标组网特点相适应。基于机会网络的海洋浮标数据传输技术是通过机会网络使得不具备远程回传能力的小型化、低成本海洋漂流浮标所采集的海洋水文数据也有机会通过网络化的方式将数据回传。本文提出一种针对基于机会网络的海洋浮标数据分发方案并进行了仿真,并分析该方案的适用范围,最后对下一步的研究内容与方向进行展望。     

基于CDMA无线网络的浮标数据通信系统

在海洋监测中,海洋仪器设备是人类认识海洋、开发利用海洋资源和保护海洋环境的重要技术手段。其中资料浮标是海洋监测的主要手段之一。随着CDMA技术的广泛应用,近年来也被应用到海上浮标的无线数据通讯中。相比之GSM、北斗等通讯方式,CDMA网络具有数据传输量大、成本低等优点。文中以Visual studio2005为工具开发了基于CDMA无线网络的浮标数据通信系统,浮标数据通信系统已在海上正常运行6个月。同时对接收到的数据和波浪骑士及其他仪器进行了对比,通过对比可以说明此系统稳定、可行,接收到的数据真实可靠。     

基于潜标的水声信号数据采集系统

海洋潜标需要配有低噪声、低功耗和高增益的数据采集系统来对微弱的水声信号进行测量,建立了一套可以实现水声信号采集、处理、存储及分析的海洋潜标数据采集系统,对其等效输入噪声、功耗、增益等指标进行了测试,并结合海试声弹试验验证了其可行性.结果表明:该系统信号调理电路的等效输入噪声为4 μV,与传感器最小输出电压相近;系统总功耗为1.2W;系统增益为60 dB;4路信号调理电路具有较好的幅值、相位一致性.     

ARMA模型在浮标压力测量误差问题中的研究

海洋浮标压力传感器结构复杂,长期受到海水侵蚀,传感器的测量误差问题频繁出现;采用时间序列分析方法建立了针对浮标压力测量误差的数学模型;首先采用游程检验法检验序列的平稳性,然后依据自相关函数和偏自相关函数的统计特性确定序列为自回归滑动平均混合模型,使用AIC准则和最小二乘法确定为ARMA(9,12)模型,最后通过MATLAB软件对浮标压力测量误差数据模型进行参数估计和适应性检验;结果表明,ARMA(9,12)模型是一种非常理想的数学模型,能够应用解决浮标压力测量误差的问题.     

海洋浮标管理信息系统的设计与实现

在通过分析海洋浮标数据特点的基础上,设计并实现一个海洋浮标管理信息系统。利用地理信息系统技术对浮标数据的空间性和时间性进行耦合,以统一的方式对空间数据和属性数据进行管理,在此基础上设计并实现海洋浮标管理信息系统。该系统可以实现了对浮标的多点、多路径、长时间序列的关联存储、条件检索和动态展现,通过将浮标总表与浮标分表相结合,实现浮标漂移路径的追踪。最后,通过应用实例证明了该系统的有效性与实用性。为海洋浮标资料的信息化管理提供有效的技术支持。