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)垂直向上的運動，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，人們想到通過放置人工系統(tǒng)的手段，引起海水自海底到海面流動的方法，即為海洋人工上升流技術(shù)。
　　為了驅(qū)動人工上升流，國內(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問題:一是帶來的上升流效率

2、較小，難以在大尺度上對海洋環(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)行實地海試時往往在短時間內(nèi)被嚴(yán)重破壞，造成實驗不理想甚至實驗失敗。
　　如何設(shè)計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)域的重要問題之一。
　　本論文提出了一種利用海洋自身動能源源不斷產(chǎn)生人工上升流的方法，不需要額外能源，且裝置簡單、成本低廉，容易大規(guī)模布放。
　　

3、本論文立足于對波浪和海流運動驅(qū)動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，本論文通過水波動力學(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)動力的思想應(yīng)用于人工上升流工程領(lǐng)域，并對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力水頭提供了一個新的思路。
　　本論文基于微振幅波基本方程和伯努利方程進(jìn)行建模，通過計算表明，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自海況條件的外部阻力和來自浮子-管體系統(tǒng)的內(nèi)部阻力，則可以作為動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技術(shù)和存在的問題，以及本論文的主要

5、研究內(nèi)容。
　　第二章對波浪/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，以波浪和海流的運動作為動力驅(qū)動人工上升流的方法。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)水槽實驗的過程與結(jié)果。實驗分為固定裝置實驗和浮子裝置實驗兩部分，以后者為主，并分成單獨造流實驗、單獨造

6、波實驗和波流耦合實驗三部分分別進(jìn)行，驗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，運用到的分析方法主要包括利用MATLAB實現(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驗和現(xiàn)場實驗為參考。
　　第五章主要討論浮子系統(tǒng)在海洋中工作時影響波浪、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)測了一些典型實際海況中的提升效率。
　　第六章對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。
　　本論文的主要創(chuàng)新點包括:
　　1.系統(tǒng)性地研究了波浪運動產(chǎn)生人工上升流水頭差的水動力學(xué)機(jī)制，并開展了波浪產(chǎn)生人工上升流裝置的設(shè)計研究。
　　2.通過理論證明，波浪運動引起的動力水頭差在深水中存在，且通過計算和實驗量化地表明，其能夠被利用以作為引致人工上升流的動力。通過推算波浪