Теория, расчет и проектирование буев для измерения морского волнения

В монографии приводится многолетний отечественный опыт проектирования волномерных буев (ВБ). Выполнен обзор и представлена классификация существующих методов и средств измерения статистических и спектральных характеристик морского волнения. Приведена классическая теория описания взволнованной морской поверхности и ее приложения, используемые для формирования практических алгоритмов вычислений параметров волнения. Предложены новые методы измерений.
Разработаны основы проектирования ВБ для измерения статистических характеристик волн, плоского и пространственного спектра волнения, основанные на применении измерителей давления и на использовании микромеханических инерциальных модулей. Рассмотрен опыт проектирования четырех ВБ различного назначения. Отдельное внимание уделяется оценке погрешностей измерений характеристик волн. Анализируются вопросы метрологического обеспечения измерителей волнения, создания стендового оборудования для этой цели. Предложены результаты сравнительных натурных исследований характеристик волнографов, использующих различные принципы работы.
Монография включает круг вопросов, необходимых для проектирования ВБ, посвященных применению теоретической гидродинамики; инерциальной навигации для разработки алгоритмов функционирования модулей на основе микромеханических гироскопов и акселерометров; теории измерений для оценки погрешностей проектируемых приборов и повышения точности расчета параметров волнения при постобработке записанных реализаций.
На основе выполненных исследований предложены методы расчета и алгоритмы функционирования ВБ, представляющие практический интерес для инженеров и ученых, работающих в близких областях техники.

Содержание
Предисловие
Глава 1. Физические закономерности динамики морской поверхности. Модели волнения
1.1. Шкалы ветра и волнения
1.2. Движение частиц воды в волне, ее профиль и энергия
1.3. Основные положения классической спектральной теории морского волнения
1.4. Эволюция спектральной теории
1.5. Статистические характеристики волнения
Глава 2. Методы и средства измерения морского волнения
2.1. Классификация волнографов
2.2. Актуальное состояние рынка волномерных буев
2.3. Методы измерения волнения, используемые волномерными буями, и их особенности
2.3.1. Метод измерения с помощью буя с гидростатическим датчиком давления
2.3.2. Метод измерения с помощью буя с гидрометрической вертушкой
2.3.3. Инерциальные методы измерения
Глава 3. Расчет и проектирование корпуса волномерного буя
3.1. Уравнения пространственного движения буя на поверхности воды
3.2. Определение значений гидродинамических коэффициентов
3.2.1. Оценка присоединенного момента инерции и коэффициента сопротивления при угловых колебаниях буев
3.2.2. Оценка присоединенной массы при вертикальных колебаниях буев
3.2.3. Оценка коэффициента сопротивления при вертикальных колебаниях буев
3.3. Инженерный расчет вертикальных колебаний буев
3.4. Исследование характеристик качки буев на основе априорной информации о спектре волнения и модели качки
3.5. Исследование влияния конструктивных элементов буя на характеристики его вертикальной качки
3.5.1. Влияние кабель-троса
3.5.2. Влияние демпфирующих элементов корпуса
3.5.3. Влияние корпуса с малой площадью ватерлинии
3.6. Оценка погрешности измерений параметров волнения от продольных колебаний буя
Глава 4. Исследование алгоритмов работы микромеханического инерциального измерительного модуля
4.1. Особенности микромеханических датчиков и модулей на их основе.
4.2. Алгоритм выработки параметров движения инерциальным измерительным модулем
4.3. Оценка точности измерений параметров движения инерциальным измерительным модулем
4.3.1. Разработка алгоритма и модели работы инерциального измерительного модуля
4.3.2. Аналитическая оценка погрешности алгоритма выработки параметров движения
4.3.3. Аналитическая оценка погрешности выработки параметров движения инерциальным измерительным модулем с учетом погрешностей датчиков
4.4. Исследование алгоритма расчета статистических характеристик
4.5. Формирование требований к погрешностям датчиков ВБ для обеспечения гарантированной точности определения параметров морского трехмерного волнения
Глава 5. Метод измерения параметров пространственного спектра на основе расширенной модели морского волнения
5.1. Классический метод измерений и его распространенная реализация
5.2. Пространственные производные волновой поверхности и подход к их определению
5.3. Метод измерения полного пространственного спектра волновой поверхности при помощи волномерного буя традиционной формы
5.4. Исследование погрешностей метода
5.5. Верификация разработанного метода
Глава 6. Проектирование волномерных буев
6.1. Разработка волномерных буев с гидростатическим датчиком давления
6.1.1. Погрешности буев и их оценка
6.1.2. Методика расчета конструкции ВБ с гидростатическим датчиком давления
6.1.3. Волномерные буи «Дельфин», «Система измерения параметров волнения» и «Нептун»
6.2. Разработка волномерного буя «Шторм» с инерциальным измерительным модулем
6.3. Генераторы для восполнения энергии волномерных буев
Глава 7. Экспериментальные методы оценки точности волномерных буев
7.1. Подходы к метрологическому обеспечению
7.2. Методы и средства экспериментальных исследований динамических погрешностей инерциального измерительного модуля волномерного буя
7.2.1. Специализированные стенды для воспроизведения колебаний
7.2.2. Метод оценки погрешностей микромеханических датчиков и модулей в заданном спектре частот
7.3. Оценка характеристик волнографов на основе сравнительных испытаний
7.4. Оценка характеристик волномерного буя «Шторм» на морском полигоне путем прямого сопоставления результатов его измерений с показаниями других волнографов
Заключение
Список использованной литературы