波浪-海流引致人工上升流技術(shù)基礎(chǔ)性研究.pdf

1、在自然界中，廣泛地存在著海洋深層水持續(xù)垂直向上的運(yùn)動(dòng)，即上升流現(xiàn)象。上升流的存在為海洋食物鏈增加了產(chǎn)能，產(chǎn)生了世界海洋的新工廠。
　　受到自然界上升流現(xiàn)象的啟示，人們想到通過(guò)放置人工系統(tǒng)的手段，引起海水自海底到海面流動(dòng)的方法，即為海洋人工上升流技術(shù)。
　　為了驅(qū)動(dòng)人工上升流，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了多種相關(guān)裝置，其中利用波浪能和海流能的裝置較為方便和節(jié)能。但是，大部分波浪能和海流能引起人工上升流裝置都存在著兩個(gè)問(wèn)題:一是帶來(lái)的上升流效率

2、較小，難以在大尺度上對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生影響，也難以收回制造和布放裝置的成本;二是裝置在進(jìn)行實(shí)地海試時(shí)往往在短時(shí)間內(nèi)被嚴(yán)重破壞，造成實(shí)驗(yàn)不理想甚至實(shí)驗(yàn)失敗。
　　如何設(shè)計(jì)可靠的人工上升流引致的方案，盡可能利用海洋自然能量、不增加額外成本，并優(yōu)化裝置參數(shù)使之適用于海洋，是人工上升流領(lǐng)域的重要問(wèn)題之一。
　　本論文提出了一種利用海洋自身動(dòng)能源源不斷產(chǎn)生人工上升流的方法，不需要額外能源，且裝置簡(jiǎn)單、成本低廉，容易大規(guī)模布放。
　　

3、本論文立足于對(duì)波浪和海流運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的人工上升流理論的研究。區(qū)別于現(xiàn)有的各種人工上升流技術(shù)方法，以及各種波浪和海流的裝置的是，本論文通過(guò)水波動(dòng)力學(xué)的分析方法，將利用微振幅波的非線性特性引致水頭差作為驅(qū)動(dòng)力的思想應(yīng)用于人工上升流工程領(lǐng)域，并對(duì)該人工上升流水頭差進(jìn)行定量的研究，為增加引致人工上升流的動(dòng)力水頭提供了一個(gè)新的思路。
　　本論文基于微振幅波基本方程和伯努利方程進(jìn)行建模，通過(guò)計(jì)算表明，在有波浪和海流的深水中，存在著能夠引致上升流的

4、動(dòng)力水頭差，且借助浮子式引致上升流裝置，該水頭差如果能夠克服來(lái)自海況條件的外部阻力和來(lái)自浮子-管體系統(tǒng)的內(nèi)部阻力，則可以作為動(dòng)力引致人工上升流的產(chǎn)生。
　　論文各章內(nèi)容分述如下:
　　第一章在調(diào)研查閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，論述了人工上升流技術(shù)研究的背景、目的和意義;介紹了國(guó)內(nèi)外各種人工上升流技術(shù)的研究進(jìn)展及取得的成果;介紹了相關(guān)的波浪和海流裝置;總結(jié)了當(dāng)前人工上升流技術(shù)研究方面的一些熱點(diǎn)技術(shù)和存在的問(wèn)題，以及本論文的主要

5、研究?jī)?nèi)容。
　　第二章對(duì)波浪/海流引致人工上升流理論進(jìn)行了理論研究。波浪/海流引致人工上升流理論是一種基于波浪力學(xué)基礎(chǔ)理論，以波浪和海流的運(yùn)動(dòng)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)人工上升流的方法。本章改進(jìn)和拓展了關(guān)于微振幅波的平均水位(mean water level)理論計(jì)算，使之應(yīng)用于人工上升流。
　　第三章主要討論波浪/海流引致人工上升流技術(shù)水槽實(shí)驗(yàn)的過(guò)程與結(jié)果。實(shí)驗(yàn)分為固定裝置實(shí)驗(yàn)和浮子裝置實(shí)驗(yàn)兩部分，以后者為主，并分成單獨(dú)造流實(shí)驗(yàn)、單獨(dú)造

6、波實(shí)驗(yàn)和波流耦合實(shí)驗(yàn)三部分分別進(jìn)行，驗(yàn)證了第二章理論模型在水槽中的可行性。
　　第四章主要從管體的優(yōu)化和浮子的優(yōu)化兩個(gè)角度討論了如何選結(jié)構(gòu)參數(shù)使波浪/海流引致人工上升流的效果發(fā)揮得更好，運(yùn)用到的分析方法主要包括利用MATLAB實(shí)現(xiàn)的受力分析、利用Flow3D和Fluent進(jìn)行的CFD仿真，以及參考部分水槽實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)為參考。
　　第五章主要討論浮子系統(tǒng)在海洋中工作時(shí)影響波浪、海流引致人工上升流效率的外部因素和內(nèi)部因素，并據(jù)

7、此預(yù)測(cè)了一些典型實(shí)際海況中的提升效率。
　　第六章對(duì)本論文的研究工作及成果進(jìn)行了歸納總結(jié)，并指出本論文今后進(jìn)一步的工作內(nèi)容與研究方向。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括:
　　1.系統(tǒng)性地研究了波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生人工上升流水頭差的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制，并開(kāi)展了波浪產(chǎn)生人工上升流裝置的設(shè)計(jì)研究。
　　2.通過(guò)理論證明，波浪運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)力水頭差在深水中存在，且通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)量化地表明，其能夠被利用以作為引致人工上升流的動(dòng)力。通過(guò)推算波浪