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基于嵌入式水鸟的海上地震拖缆运动控制与仿真研究

张小卿  
【摘要】: 随着世界经济的向前发展和人们生活水平的不断提高,人类需要更多的自然资源来满足生产和生活的需要,能源问题日益突出。为了满足对能源日益增长的需求,人类逐渐把目光投向了海洋,海洋蕴藏着丰富的矿物资源和油气资源。因此,开采这些矿物资源和油气资源对世界经济的发展以及缓解能源危机具有十分重要的意义。 海上地震勘探技术是勘探海底石油分布的重要手段,目前世界上已成功使用四维地震技术和多分量勘探技术。海上地震拖缆系统是用来勘探海底石油分布的勘探系统,通常由海洋勘探船、引导拖缆、零浮力拖缆阵列、水下拖体、各种探测控制设备等组成。海上地震拖缆控制系统主要包括对拖体的运动控制与拖缆本身的控制。拖缆本身的控制一般是指拖缆的定深控制,随着高精度海洋勘探的出现而逐渐被人们重视。定深控制器通常是一种小型缆载可控水翼,也叫做“水鸟”,通常以一定的间距分布于零浮力的阵列拖缆上,通过调节攻角产生升力,改变拖缆在水中的深度。 本文以新型嵌入式水鸟为研究对象,以海上地震拖缆运动定位与控制为目的,在对嵌入式水鸟水动力特性进行计算分析的基础上,提出了一个地震拖缆系统定位与控制的实现方案。本文的主要研究工作及结论可以归纳如下: 首先在了解课题研究背景基础上介绍了海洋地震勘探技术、海洋地震勘探拖缆系统,以及当前世界上普遍使用的四维地震技术和多分量勘探技术,回顾了拖缆系统运动控制技术的研究与发展过程,并确立了本文的研究工作和任务。 在现有理论基础上,建立了海上地震拖缆运动三维数学模型及稳定直航下的简化模型。忽略海洋环境的影响,只考虑拖缆在水下垂直深度,建立拖缆运动二维数学模型,并在给定初始条件下进行仿真求解。对比拖缆在定深控制器和没有定深控制器作用下的运动状态,结果说明定深控制器在拖缆定位与控制方面的重要性。 完成对嵌入式水鸟的水动力特性分析,利用前处理软件GAMBIT建立水鸟几何模型,并进行网格划分,然后利用数值分析软件FLUENT进行数值计算,得到水鸟水翼的升力特性图和水动力特性等,为后面的系统方案设计提供理论依据。 在海上地震拖缆运动数学模型和嵌入式水鸟水动力特性基础上,提出了一个海上地震拖缆运动定位与控制系统的实现方案,包括系统的总体结构,系统各功能模块及实现方案,系统控制流程,系统工作模式。


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