基于压电纤维复合材料的洋流能发电装置发电性能分析

设计了一种基于压电纤维复合材料(MFC)的洋流能发电装置,并分析了其发电性能。以悬臂梁结构为分析对象,对影响发电性能的因素进行了分析,研究了基底材料的类型和厚度、频率、位移激励幅值、单晶和双晶结构对发电性能的影响规律。基于上述分析结论,设计了一种洋流能发电装置。分析了该发电装置的发电性能。分析结果表明,该发电装置在转子转速为500 r/min的工作条件下,最大输出功率为9.31 W,能满足功率要求。

垂直洋流下500 kV海缆电热耦合场和载流量研究

发展海上风电是实现“双碳”目标的重要举措。直流海缆是海上风电输电工程的重要装置,而海缆稳态载流量等研究对推动远海风电大规模开发具有重要意义。近年来高压直流海缆稳态载流量的相关研究考虑海洋环境因素较为单一且未充分考虑绝缘层温差的限制。文中建立了500 kV直流海缆与海水系统的电-热-流耦合模型,研究了单根和双极海缆在不同敷设方式下垂直洋流(垂直于海缆长度方向流动的洋流)流速,考虑绝缘层温差限制、双极不同间距等对载流量的影响。结果表明,相较于仅考虑线芯温度70℃限制,综合考虑绝缘层温差20℃限制的载流量更小,且相较于其他敷设方式,直埋敷设时绝缘层温差20℃限制对载流量的影响更小;双极海缆的载流量随双极间距增大而增加,流速为0.1 m/s时涡旋对海缆载流量有较小的提升作用;在绝缘层温差为6℃附近,电场发生翻转。研究结果可为敷设方式的选择以及载流量的预测和评估提供重要指导和参考。

基于自抗扰控制的AUV抗洋流对接研究

洋流和未知干扰的存在影响着自主水下机器人(AUV)对接回收的成功与否,同时保证对接姿态和抗扰能力较为困难。本文提出一种基于自抗扰控制的三段式对接控制方法:在对接首段采用追踪制导,中段采用横向偏差制导,末端采用余弦曲线制导生成期望的航向角度,设计洋流观测器估计并补偿洋流,并针对AUV模型设计自抗扰控制器实现航向角跟踪。在Matlab/Simulink中建立控制模型,在不同洋流和外界随机干扰条件下仿真。仿真结果表明,设计的对接方法在洋流下可有效控制AUV的航向角和横向距离,对外界随机干扰具有一定抵抗能力,能够同时保证对接姿态和抗扰能力。

深海洋流发电系统的PWM整流策略设计

洋流能是一种环保的清洁可再生能源,要实现洋流能的开发利用,离不开发电设备的研究。同时也能解决深海各种传感器水下长期供电的问题,优化当前采用的锂电池供电方式,减少锂电池的更换,节省人力物力,所以,设计一种利用深海洋流能发电的系统具有十分重要的意义。在深海洋流发电系统中,这里针对洋流发电机脉宽调制(PWM)整流器提出使用模型预测直接功率控制策略替代传统电压电流双闭环的控制策略,实现发电机的单位功率因数运行,不仅提高了深海发电系统的稳定性,而且提高了发电机的运行效率,从而提高了洋流能的转换效率。

利用改进MUSIC方法进行洋流方位估计

洋流能够调节全球热量的分布,降低航运成本。以往的洋流方位估计方法未对洋流信号源之间的相关性进行完全消除,导致估计效果较差。因此,本文设计了基于改进MUSIC方法的洋流方位估计方法。首先,以采集到的洋流信号为基础,构建洋流阵列信号模型,并对洋流信号进行降噪处理,提高信号数据的质量。然后,为减少洋流信号源之间相关性对估计结果的影响,利用改进MUSIC方法及协方差矩阵,对洋流信号源相关性进行消除,通过计算信号源的相关参数,构建洋流方位估计模型。最后,通过对洋流信号源的转换,实现洋流方位的估计。在仿真试验中,以南海部分海域为试验对象,对不同谱点下估计方法的估计效果进行评价,与以往的洋流方位估计方法相比,设计的基于改进MUSIC方法的洋流方位估计方法精度高达97.2%,应用效果更好。

顾及洋流速度的激光罗经对准方法研究

在外阻尼系统中,外速度误差会对罗经对准回路的对准精度产生直接影响。本文结合罗经对准回路的特点,理论推导了不同形式洋流速度误差对对准精度的影响,并进行了仿真研究。由于洋流速度在固定海域满足一定规律,因此可通过提前测绘的方式对洋流速度进行建模并用于后续补偿。本文设计了通过GNSS/INS组合导航及测速仪联合测量当地海域洋流速度的方法,并依据测量结果建立了洋流速度模型。在罗经对准过程中,利用建立的洋流速度数学模型对测速仪中包含的洋流速度误差进行补偿。海上实验结果表明,利用建立的洋流速度模型进行速度补偿后,罗经对准系统的水平精度提升了36″,航向精度提升了25″,水平收敛速度提升了25 min,有效提升了罗经对准回路的姿态解算效果。

考虑洋流速度的激光惯导/里程仪标定方法

在船载试验环境中,电磁里程仪的速度会受到洋流速度的影响。对于激光惯导/里程仪组合导航系统,洋流速度的存在会影响组合导航系统相关参数的标定。为克服洋流速度对标定结果的影响,论文在原有标定参数基础上将洋流速度建模为额外Kalman滤波状态量,并采用GNSS位置、速度信息作为滤波观测量来对参数进行估计。文中从里程仪的标定观测方程出发,分析了洋流速度对里程仪比例因子、安装误差角等误差参数标定结果的影响,以及不同误差参数之间的耦合关系;基于可观性分析理论研究了洋流速度及相关参数的可观测性,并确定了适用于洋流速度估计的标定路径。仿真及试验结果表明,经过几次转弯机动之后,包括洋流速度在内的所有标定参数均可收敛到一个准确值,有效解决了洋流速度对其他标定参数的影响。海试试验验证了文中方法的可行性。

立足地理科学本质 提升综合思维能力——以人教版(2019)选择性必修一《洋流》为例

以选择性必修一《洋流》为例说明了在地理教学过程中,教学中应该从“科学”角度深度挖掘,运用信息技术从观察地理事象—大胆假设—实验论证—科学解释这一教学模式,让学生在合作、交流、探究中经历知识形成的全过程,并进行正确的假设、分析、说明、解释、推测等,准确把握地理问题的整体性,提升综合思维能力。

新型风力/洋流涡轮气动及引射特性

为高效开发利用低品位风能和洋流能,采用涡扇发动机喷管引射技术,设计含有单级涡轮和波瓣引射器结构的低品位风力/洋流涡轮,给出一种波瓣引射器的参数化方法,并基于CFX软件RANS方程和k-ε湍流模型数值研究涡轮气动和引射特性.结果表明：含单级涡轮和波瓣引射器结构的低品位风力/洋流涡轮可将其转子四周流过的能量通过波瓣引射器引入涡轮后侧,通过流向涡和正交涡共同产生的抽吸作用,降低涡轮转子后侧被压,使有效做功速度增大约1.4倍,等效于提升了能量的品位.在2~6 m/s的风能和2~4 m/s的洋流能利用方面,含单级涡轮和波瓣引射器结构的风力/洋流涡轮功率曲线与来流速度成指数增长,流通能力增大32.70%~35.33%,在低速工况能量利用率可达66%~77%.

基于注意力机制的LSTM-CNN航道洋流速度预测方法研究

当前随着经济的快速发展,航道水域的交通状况趋于复杂,而且受到天气等影响,海洋运输的航期不固定,很容易遇险,航道洋流就是其中很重要的因素,所以航道洋流的实时预测具有重要意义。为了对航道洋流进行预测,针对航道洋流的历史速度数据集,提出了一种基于注意力机制的LSTM-CNN网络的预测方法。首先,对航道洋流历史速度的缺失值进行上一层和下一层加和的平均值处理,以及离散数据的清除。然后,对该预测模型包括隐藏层层数、超参数和预测过程优化算法等进行设计。最后,将该算法与长短期记忆网络、卷积神经网络和BP神经网络在不同时间的步长上进行对比,验证其可行性。以预测误差最小为目标,来实现对短期航道洋流速度的预测。实验结果表明,新提的预测模型对于短期航道洋流速度预测来说,有一定的实用价值。

低速直驱型洋流能发电机的设计、分析与测试

针对中国海况,研究了一种小功率的低速直驱型洋流能发电机,通过对发电机的长径比、气隙长度、定子内径等关键参数进行设计和优化,确定了发电机的最终方案。采用2D有限元对发电机的齿槽转矩和变速变载性能进行了仿真计算,理论上进一步校核了发电机的运行特性。加工制造了样机并进行了详细的厂内测试,测试结果进一步验证了设计方案的合理性,确认了发电机能够在额定工况下输出200 W功率,且变速变载运行性能良好。

被动大陆边缘页岩沉积古环境及其对有机质富集的控制:以上扬子渝北地区下志留统龙马溪组为例

目前对于被动大陆边缘沉积古环境演化的研究相对较少,特别是对上升洋流活动变化规律认识不足,导致对有机质富集主控因素认识不清。据此,以渝北地区下志留统龙马溪组为例,基于岩心/露头、矿物岩石学、有机地球化学和元素分析等资料,探讨被动大陆边缘页岩沉积古环境及其对有机质富集的控制。研究表明,区内有机质富集受保存条件、陆源输入和古生产力水平等因素控制,但不同时期主控因素存在差异:鲁丹期(LM1-LM5沉积期),保存条件、陆源输入和古生产力水平共同控制有机质富集,TOC含量最高;埃隆早期(LM6沉积期),盆地进入挠曲—迁移期,构造活动增强,渝北地区障壁开口打开,上升洋流活动增强,保存条件变差是造成TOC含量降低的主因;埃隆中期(LM7沉积期),迁移作用增强,障壁开口进一步打开,上升洋流活动达到最强,保存条件变差和古生产力水平急剧升高是导致TOC含量与LM6沉积期差异不大的主因;埃隆晚期(LM8沉积期),障壁开口向西北方向迁移,TOC含量降低,有机质富集主控因素与LM1-LM5一致;特列奇早期(LM9沉积期),海平面降至最低,以富氧环境为主,TOC含量降至最低,保存条件是控制有机质富集的主要因素。总体而言,研究区不同时期有机质富集主控因素变化与构造活动和海平面变化引起的沉积古环境变化密切相关。

海洋Nd同位素演化及古洋流循环示踪研究

海洋Nd同位素演化已经成为示踪陆源风化输入和洋流循环改变的最重要的手段之一,得到了越来越多的应用,并取得了许多重要的成果。海水的Nd同位素组成主要受陆源输入物质控制,热液输入几乎可以忽略。由于Nd在海洋中的停留时间(约500～1000a)略小于海水的平均混合时间(约1500a),且各洋盆有不同的Nd同位素风化输入,因此现代各大洋海水具有不同的Nd同位素组成。在陆源输入稳定的情况下,可以利用海水的Nd同位素组成和演化来示踪水体的混合或洋流循环的改变。目前主要依靠对海洋中水成铁锰结壳、海洋钙质有孔虫壳体、磷酸质鱼骨头或鱼牙齿化石以及沉积物中铁锰氧化物组分等的研究来恢复和反演古海水的Nd同位素组成和演化。4种分析材料各有其优缺点。其中,通过对水成铁锰结壳的Nd同位素分析,基本建立了各大洋新生代以来的主要洋流的Nd同位素组成的长尺度演化。通过有孔虫壳体、鱼化石碎片和沉积物中Fe-Mn氧化物组分可以进行高时间分辨率的古海水Nd同位素演化示踪。利用海水Nd同位素演化可以示踪古洋流通道的开启或闭合,以及获得水体交换的直接信息,为研究构造运动与气候变化之间的关系提供指示。同时,将海水Nd同位素演化与气候变化的指标结合起来,可以用于示踪各种气候条件下洋流循环的改变,将洋流循环的改变与气候变化联系起来,研究两者之间的成因关系。对表层水体的Nd同位素组成的研究则可以示踪不同气候条件下大陆陆源风化输入的改变。

海洋内波和洋流联合作用下水中悬浮隧道的动力响应

基于势流函数理论建立层化海洋内波流场,采用Morison方法考虑内波和洋流联合作用力,建立悬浮隧道-流体相互作用非线性振动数学物理模型.运用Galerkin(伽辽金)法数值求解振动微分方程,研究海洋内波和洋流共同作用下水中悬浮隧道的多模态动力响应行为.通过对拟建隧道实例的计算分析,结果表明:第一阶模态对位移响应贡献最大,在内波、洋流联合作用下,海洋内波的作用不可忽视,使第一、三阶模态的幅值都有大幅度增加,且反映出强非线性.研究成果为悬浮隧道结构荷载分析及复杂环境下海洋工程结构物所受环境荷载的研究提供有益探讨.

未知洋流干扰下基于单领航者的多自主水下航行器协同导航

洋流估计问题是多自主水下航行器(AUV)协同导航方法中的难点之一。针对未知洋流情况,给出了1种基于单领航者的多AUV协同导航方法。通过设计主、从AUV间的机动轨迹,将从AUV的初始定位以及洋流干扰、测速误差的初始估计问题转化为非线性极小平方优化模型求解,提高了初始化精度;并进一步将洋流干扰等作为状态变量参与协同导航过程中的滤波,得到了对从AUV定位和洋流干扰的实时估计。仿真实例表明,该算法实现了对未知洋流的在线估计,具有良好的收敛性和定位精度。

考虑洋流影响的SINS/DVL组合导航算法

针对捷联惯性导航系统(SINS)/多普勒计程仪(DVL)组合导航系统工作于水跟踪模式条件下的高精度定位需求,提出一种考虑洋流影响的SINS/DVL组合导航算法。分析了DVL水跟踪模式下洋流速度对组合导航精度的影响,基于速度匹配组合导航的方式提出了SINS/DVL组合导航系统设计方案,当DVL切换到水跟踪模式后,利用Kalman滤波器对洋流速度进行实时估计,从而能够有效提高DVL仅对水输出时系统的组合导航定位精度。仿真和水上船载试验结果表明,本文提出的考虑洋流速度影响的SINS/DVL组合导航算法是有效的和可行的。

赤道外北太平洋上层洋流异常分析

采用复EOF分析方法,对全年各月份除赤道太平洋外的北太平洋海域的上层洋流异常做了统计动力诊断,并与赤道太平洋洋流异常做了比较;得到的主要结论有:北太平洋海域上层洋流的明显异常发生在日本本州岛以东、以南范围不大的海域(关键区)内,此关键区仅占整个北太平洋海域很小的一部分;而在该海域之外,洋流异常均非常小。虽该洋流异常的第一模态与第二模态对整个异常的方差明显小于赤道太平洋;但其对以上关键区内洋流异常的贡献仍是不小的。在上述海域内,第一模态表现为东东北至西西南走向的涡旋偶,即一个反气旋涡旋和一个气旋涡旋的组合;第二模态也主要表现为涡旋形式。第一、二模态的时间系数均有两个状态,第一、二模态其模的数值大小则决定了其偏差流场的强弱,模值越大则异常越大。第一、二模态的时间系数均有年际变化和明显的年代际变化。以上两模态是异常风应力造成海洋西边界附近海水流动的异常所致,其性质是海洋Rossby波的异常,这与赤道太平洋洋流异常是Kelvin波的异常不同,但两者共同之处在于其均与风应力异常密切相关。

一种考虑洋流影响的AUV组合导航算法

针对由捷联惯导(SINS)、多普勒测速仪(DVL)以及深度传感器组成的自主水下航行器(AUV)组合导航系统,当DVL测量距离无法达到海底的情况下,洋流是该系统主要误差源之一的问题,在SINS/DVL组合导航算法的基础上,提出了一种在原算法中加入洋流信息提高系统导航定位精度的方法,并将以上两种导航算法解算出的AUV位置信息进行仿真对比,仿真结果表明:与未考虑洋流信息的算法相比,加入洋流信息的算法能够有效提高AUV的定位精度。

洋流干扰下的多自主水面无人船最优覆盖控制

针对洋流干扰下的多自主水面无人船(ASV)对有限海洋环境进行覆盖监控的最优化问题,提出一种基于环境信息密度的分布式控制方法。该控制方法是在考虑洋流因素的情况下,以二阶EulerLagrange模型为控制模型的最优覆盖策略。首先建立基于欠驱动系统的最优覆盖模型,提出时变洋流干扰下的多ASV最优区域分配算法。在此基础上,针对ASV的欠驱动特性,综合应用运动学控制方法与Backstepping技术设计基于二阶Euler-lagrange方程的最优覆盖控制算法,并利用Lyapunov稳定性理论证明其稳定性。最后对多ASV最优覆盖网络进行仿真验证实验,实验结果表明该控制方法能够使多ASV在洋流干扰下从区域Q的任意初始位置收敛到最优覆盖配置。

热带太平洋5月份上层洋流的动力统计诊断

利用复EOF分析,将热带太平洋5月份的上层洋流看作一个整体,对其作了动力统计诊断,用以考察热带太平洋5月份上层流场的年际和年代际变化,并揭示其与长江流域梅雨异常的关系。结果表明,热带太平洋5月份上层偏差流的前三模态均为赤道所俘获;其第一、二模态具有明显的年际变化;第一模态与长江流域梅雨异常密切相关;第二模态与ENSO密切相关;第一模态其模的振幅有由小到大的年代际周期变化,且从1994年起模有越变越大的趋势,这表明这段时期长江流域梅雨降水量的异常有所增大。