梁澤德，王樹杰，王慶永

(1.青島農(nóng)業(yè)大學 建筑工程學院，山東 青島 266109；2.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

海洋溫差能驅(qū)動的水下監(jiān)測裝置水動力學特性研究

梁澤德1，2，王樹杰2，王慶永1

(1.青島農(nóng)業(yè)大學 建筑工程學院，山東 青島 266109；2.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

以海洋溫差能驅(qū)動的垂直運動水下監(jiān)測裝置為研究對象，通過MATLAB/Simulink仿真，對運動階段下的運動基本方程進行了數(shù)值求解。結(jié)果表明：在設(shè)定情況下，水下監(jiān)測裝置從水面下潛到500 m所需時間約為2 900 s；水下監(jiān)測裝置從深約500 m上浮到海面所需時間約為2 890 s；水下監(jiān)測裝置水下運動時間隨阻尼盤直徑的增大略有增加，這有利于相變材料的相變過程特別是凝固過程順利完成，但是隨著阻尼盤直徑的增大，浮力驅(qū)動系統(tǒng)的功耗也增大，通過綜合比較認為阻尼盤直徑為50 cm比較合適。

水下監(jiān)測裝置；海洋溫差能；水動力學分析；剖面探測；數(shù)值計算

傳統(tǒng)的水下監(jiān)測裝置如Argo浮標多采用電池組作為能量元件[1-3]，而本文的研究對象即海洋溫差能驅(qū)動的水下監(jiān)測裝置的能量來源是海洋溫差能，水下監(jiān)測裝置在海洋溫躍層之間垂直上下往復運動，期間低熔點相變材料發(fā)生固液相變體積變化，該裝置通過由相變材料體積變化蓄積的能量傳遞液體流經(jīng)微型液壓馬達，驅(qū)動液壓馬達和發(fā)電機一并旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能供給裝置所攜觀測儀器和裝置電路控制系統(tǒng)[4-5]，其中相變過程能否順利進行與水下裝置的水動力學特性密切相關(guān)。

典型的Argo剖面浮標浮力驅(qū)動系統(tǒng)多采用單柱塞泵浮力驅(qū)動系統(tǒng)和齒輪泵浮力驅(qū)動系統(tǒng)[6-8]。無論是單柱塞泵系統(tǒng)還是齒輪泵系統(tǒng)，都要消耗電能，但本文設(shè)計的海洋溫差能驅(qū)動水下監(jiān)測裝置的浮力驅(qū)動系統(tǒng)不需要消耗電能，而是通過蓄積在蓄能器的能量傳遞液體克服設(shè)定水深處壓力流入外囊增大水下監(jiān)測裝置排水體積和利用外、內(nèi)囊壓力差驅(qū)動能量傳遞液體從外囊流入內(nèi)囊減小裝置排水體積，從而改變裝置浮力，實現(xiàn)水下監(jiān)測裝置自動沉浮。水下監(jiān)測裝置外囊體積增大過程與裝置發(fā)電過程相耦合，即該過程的水動力學特性受到裝置發(fā)電過程的影響和制約。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，詳細分析了水下監(jiān)測裝置各運動階段，建立并數(shù)值求解了3種不同工況下各運動階段的基本方程，并對數(shù)值結(jié)果進行了分析和比較，為裝置的實際水下運動提供理論依據(jù)。

1 水下運動基本方程

1.1 坐標系及受力分析

選擇靜止的海面為水平參考面，海水深度在參考水平面處為0 m，參考水平面垂直向下為正，裝置的受力、速度及加速度和位移的正方向均向下。水下監(jiān)測裝置受力及運動分析是基于以下幾個假設(shè)[9]:

1) 運動分析中，由于水下監(jiān)測裝置外形尺寸與水下行程相比可忽略不計，在此把裝置當作質(zhì)點；

2) 受力分析中, 忽略監(jiān)測裝置水下運動的橫向位移, 只分析裝置的縱向運動;

3) 認為水下監(jiān)測裝置在整個運動過程中保持豎直姿態(tài)，即做垂直運動；

4) 海洋0～500 m之間海水密度保持不變。

坐標系及受力分析如圖1所示。

圖1 坐標系及受力分析

重力:

G=m·g

(1)

式中,m為水下監(jiān)測裝置的總質(zhì)量，m=70 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

浮力：

Fb=ρ·g·V

(2)

式中,ρ為海水平均密度，ρ=1 025 kg/m3；V為裝置的排水體積。

總阻力包括水下監(jiān)測裝置的摩擦阻力(Ff)、阻尼盤的形狀阻力(FDp)以及外皮囊護罩的形狀阻力(FDs)三部分。

水下監(jiān)測裝置的摩擦阻力(Ff)為

(3)

式中,u為裝置下潛或上浮速度；Af為裝置總的濕面積，本文中該值為1.159 m2；Cf為摩擦阻力系數(shù), 其計算公式為[10]

(4)

(5)

阻尼盤的形狀阻力(FDp)為

(6)

(7)

外皮囊護罩的形狀阻力(FDs)為

(8)

式中,As為外皮囊護罩的特征面積，本文取外皮囊護罩為近似圓盤形直徑為20 cm，則As=0.031 4 m2；CDs為外皮囊護罩形狀阻力系數(shù),本文取CDs=1[10]。所以基于上述條件下的外皮囊護罩形狀阻力可表示為

(9)

1.2 基本方程

(10)

式中,a為裝置t時刻的瞬時加速度；h為t時間內(nèi)裝置運動位移。

2 運動過程研究

2.1 水下運動階段分析

初始狀態(tài)是水下監(jiān)測裝置漂浮在海面上, 外皮囊保持最大體積油量, 此時裝置部分體積暴露在水面以上，即裝置在海表面處儲備一定量的浮力。指令發(fā)出后, 電磁閥動作, 部分體積的能量傳遞介質(zhì)在外、內(nèi)皮囊壓差的驅(qū)動下從外皮囊流入裝置內(nèi)部的內(nèi)皮囊, 裝置開始沒入水面以下、總排水體積逐漸減小，裝置做變加速下潛運動, 最終達到一個較穩(wěn)定的速度(本文設(shè)定為約0.15 m/s)，以上為運動階段一；由于海水壓力對水下裝置的影響，使得裝置的圓柱形外殼體積隨深度的增加逐漸減小，裝置做加速度極小的緩慢加速運動，直至接近設(shè)定深度(本文設(shè)定為500 m)，此為運動階段二；當裝置接近設(shè)定深度時，電磁閥動作, 部分體積的高壓能量傳遞液體從蓄能器流經(jīng)液壓馬達進入外皮囊，使裝置的排水體積明顯增大，裝置做減速運動，直至末速度為0 m/s，此為運動階段三；裝置在設(shè)定深度附近作一定時間的停留，其主要目的是保證相變材料能夠在一個運動周期中完全凝固，此為運動階段四；裝置在設(shè)定深度附近作一定時間的停留后，電磁閥再次動作，又有部分體積的高壓能量傳遞液體從蓄能器流經(jīng)液壓馬達進入外皮囊，從而使裝置所受浮力大于重力，裝置開始做變加速上浮運動并最終達到一個較穩(wěn)定的速度(本文也設(shè)定為約0.15 m/s)，以上為運動階段五；同樣由于壓力對平臺的影響，使得平臺體積隨深度的減小逐漸增大，平臺做加速度極小的緩慢加速運動，直至裝置最上端到達水面，此為運動階段六；最后，裝置開始浮出水面，最終漂浮在水面上并有部分體積的殼體暴露在水面以上，以保證信息有效的傳輸，此為運動階段七，裝置在該階段下停留一定的時間，完成數(shù)據(jù)輸送和相變材料的完全熔化，等待新的指令。

2.2 運動過程中裝置殼體體積變化規(guī)律的確定

水下監(jiān)測裝置在下潛和上浮各運動模式中，海水壓力都會對裝置殼體體積在徑向和軸向兩方面產(chǎn)生一定的影響，影響規(guī)律如下[8]：

(11)

式中,ΔV為裝置殼體因海水壓力導致的體積變化量；δ為殼體厚度，該值本文取為8 mm；Dout為殼體外徑，該值本文取246 mm；l為殼體長度，該值本文取1 500 mm；Dmdl為殼體中部直徑，Dmdl=(Din+Dout)/2；Din為殼體內(nèi)徑，Din=Dout-2δ；Pout為殼體所受外壓，與裝置所處深度h有關(guān)，即Pout=101 325+ρ·g·h；E為裝置殼體材料的彈性模量，本文選擇LY12硬質(zhì)鋁合金作為殼體材料，該值為7.31×1010Pa。

2.3 各運動階段下瞬時加速度的建立

根據(jù)運動基本方程，建立各運動階段下瞬時加速度表達式，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合初始條件，通過積分，即可得到相應的裝置瞬時速度和位移的表達式。

2.3.1 運動階段一瞬時加速度的建立

(12)

則：

(13)

式中,V為水下裝置排水體積，V=V′+(V01-Q·t)+ΔV，其中V′為裝置除外皮囊以外部分的總體積，本文中該值為67 362 mL，V01為本階段下外皮囊初始體積，ΔV為由于海水壓力使得裝置殼體體積變化量，Q為能量傳遞液體流經(jīng)電磁閥的體積流量，其計算公式為[10]

(14)

式中,a為流量系數(shù)，本文中該值取0.61；Av為電磁閥的流通面積，本文中該值取4.0×10-6m2；ρoil為能量傳遞液體的密度，本文中取866 kg/m3；Δp為外、內(nèi)皮囊的壓差，本文中內(nèi)皮囊壓力取半個標準大氣壓的真空度，所以海平面附近的該壓差約為0.06 MPa。將上述參數(shù)代入，求得Q=28.72 mL/s。

2.3.2 運動階段二瞬時加速度的建立

(15)

式中,V為水下裝置排水體積，V=V′+V02+ΔV，V02為本階段下外皮囊初始體積。

2.3.3 運動階段三瞬時加速度的建立

(16)

式中,V為水下裝置排水體積，V=V′+(V03+Qs·t)+ΔV，V03為本階段下外皮囊初始體積，Qs為能量傳遞液體從蓄能器流出經(jīng)液壓馬達進入外皮囊的瞬時體積流量，由本階段的發(fā)電系統(tǒng)決定。

2.3.4 運動階段四瞬時加速度的建立

2.3.5 運動階段五瞬時加速度的建立

(17)

式中,V為水下裝置排水體積，V=V′+(V05+Qs·t)+ΔV，V05為本階段下外皮囊初始體積，Qs為能量傳遞液體從蓄能器流出經(jīng)液壓馬達進入外皮囊的瞬時體積流量，由本階段的發(fā)電系統(tǒng)決定。

2.3.6 運動階段六瞬時加速度的建立

(18)

式中,V為水下裝置排水體積，V=V′+V06+ΔV，V06為本階段下外皮囊初始體積。

2.3.7 運動階段七瞬時加速度的建立

(19)

3 數(shù)值求解及分析

以上各階段的瞬時加速度表達式為一階非線性微分方程，無法求得解析解，本文通過MATLAB/Simulink仿真，數(shù)值求解3種工況下各模式的加速度、速度和位移等運動參數(shù)，并對不同直徑阻尼盤的影響進行比較分析，設(shè)定的3種工況如表1所示。

表1 三種工況的設(shè)定 Table 1 Settings of 3 working conditions

3.1 下潛過程分析

裝置在下潛中主要分兩個過程：第一個過程是從水面加速下潛到設(shè)定深度；第二個過程是到達設(shè)定深度后迅速減速下潛直至停止。

3.1.1 加速下潛過程分析

各工況下水下裝置下潛速度和位移隨時間變化曲線如圖2和圖3所示，該過程最重要的信息是從水面下潛到設(shè)定深度所需時間以及下潛過程的速度分布。

從圖2和圖3可以看出：設(shè)定情況下，裝置從水面下潛到500 m所需時間，隨阻尼盤直徑的增大略有增加，分別從2 840 s增加到2 900 s和2 955 s，相應的平均下潛速度分別從0.176 m/s下降到0.172 m/s和0.169 m/s；該下潛過程主要經(jīng)歷了兩個階段：第一階段為加速度較大的加速下潛階段。在這個階段初期，外皮囊中的部分能量傳遞液體較快的壓入裝置殼體內(nèi)的內(nèi)皮囊，使得裝置所受浮力減小較快，該階段持續(xù)時間3種工況相近約為30 s，速度從0 m/s增加到約0.15 m/s，這一階段即為運動階段一過程；第二階段為加速度極小的緩慢加速下潛階段，這一階段是該過程的主體階段，因為隨著裝置的下潛，水壓力逐漸升高，裝置總的排水體積緩慢減小，凈浮力緩慢增加，這一階段即為階段二過程。

圖2 運動階段一和階段二中位移隨時間變化曲線

圖3 運動階段一和階段二中速度隨時間變化曲線

3.1.2 減速下潛過程分析

各工況下裝置下潛速度和位移隨時間的變化曲線如圖4和圖5所示，該過程受到發(fā)電過程的影響，最重要的信息是裝置從設(shè)定深度處減速下潛直到停止所需時間以及該下潛過程的位移。

從圖4和圖5可見：設(shè)定情況下，裝置從減速下潛直到停止所需時間，隨著阻尼盤直徑的增大略有減小，分別從83 s減小到78 s和72 s；此過程的下潛位移也從2.93 m減小到2.75 m和2.67 m。

圖4 運動階段三中速度隨時間變化曲線

圖5 運動階段三中位移隨時間變化曲線

3.2 上浮過程分析

裝置在上浮中主要分兩個過程：第1個過程是裝置從水下停留處加速上浮到水面，該過程又由2個階段組成，分別是從初速度為0 m/s較快加速到0.15 m/s階段和從速度0.15 m/s緩慢加速到約0.19 m/s階段；第2個過程是裝置開始浮出水面直到漂浮在水面上。

3.2.1 加速上浮過程分析

加速上浮的第1階段，各工況下裝置上浮速度和位移隨時間的變化曲線如圖6和圖7所示，該過程受到發(fā)電過程的影響和制約。從圖中可以看出：設(shè)定情況下，裝置從靜止狀態(tài)加速到0.15 m/s，3種不同工況所需時間相近均為25 s，上浮位移約為2.75 m，該階段即為運動階段五過程。

圖6 運動階段五中速度隨時間變化曲線

圖7 運動階段五中位移隨時間的變化曲線

加速上浮的第2階段，即為加速度極小的緩慢加速上浮階段，這一階段是整個加速上浮過程的主體階段，這是因為隨著裝置的上浮，裝置所受水壓力逐漸減小，其總的排水體積緩慢增加，這一階段即為階段六過程。該階段各工況的上浮速度和位移隨時間變化曲線如圖8和圖9所示。

圖8 階段六中位移隨時間變化曲線

圖9 階段六中速度隨時間變化曲線

從圖8和圖9可以看出：設(shè)定情況下，階段從500 m左右水深處上浮到海面所需時間，隨阻尼盤直徑的增大略有增加，分別從2 830 s增加到2 890 s和2 945 s，平均上浮速度分別從0.177 m/s下降到0.173 m/s和0.170 m/s。

3.2.2 浮出水面并穩(wěn)定漂浮在水面過程分析

各工況下裝置位移隨時間變化曲線如圖10所示。從圖中可以得出：裝置在3個不同工況下的運動情況非常接近，3條曲線幾乎重合在一起，其位移均為振蕩衰減，經(jīng)過約300 s后裝置基本穩(wěn)定在水面以上0.03～0.04 m，即監(jiān)測裝置殼體最高部分在水面以上約3～4 cm處，這一階段即為階段七過程，這樣可以保證監(jiān)測裝置最頂端長約1 m的天線全部露出水面，這對監(jiān)測裝置信號的發(fā)送與接收是十分有利和必要的。

圖10 運動階段七中位移隨時間變化曲線

3.3 三工況影響對比分析

通過上面的結(jié)果不難看出：裝置無論是從水面下潛到設(shè)定深度，還是從設(shè)定深度上浮到水面，所需時間均隨阻尼盤直徑的增大而有所增大，但增加的幅度不大。水下停留時間的增大，更有利于相變材料的相變過程特別是凝固過程順利完成；但是隨著阻尼盤直徑的增大，外皮囊的體積變化量(即流入或流出外囊的液壓油量)增大，本文設(shè)定的3種工況中，該值從626 mL增大到712 mL和806 mL，這顯著地增大了裝置浮力驅(qū)動系統(tǒng)的功耗，是十分不利的。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當垂直運動水下檢測裝置如自持式漂流浮標體積變化率大于1%本文條件下即674 mL，可以有效的保證水下裝置順利上浮到水面[11],所以通過綜合比較可以確定，在其他條件相同的前提下，阻尼盤直徑為50 cm比較合適。

4 結(jié) 論

1)本文設(shè)定情況下，水下監(jiān)測裝置從海面下潛至設(shè)定深度主要由兩個下潛過程組成：①加速下潛過程，持續(xù)時間約為2 900 s，平均下潛速度約為0.17 m/s。該過程主要分兩個階段，第1個階段持續(xù)時間很短，加速度相對較大；第2階段是加速度極小的緩慢加速下潛階段，是該過程的主體階段。②減速下潛直到停止過程，該過程受裝置發(fā)電系統(tǒng)的影響和制約。

2)水下監(jiān)測裝置從深水停留位置上浮直到穩(wěn)定漂浮在海面上主要由兩個過程組成：①加速上浮過程，所需時間約為2 890 s，平均上浮速度約為0.17 m/s。該上浮過程也主要分兩個階段：第1個階段持續(xù)時間很短，加速度相對較大，本階段受裝置發(fā)電系統(tǒng)的影響和制約；第2階段是加速度極小的緩慢加速上浮階段，是該過程的主體階段。②浮出水面直到穩(wěn)定漂浮在水面上，各工況非常接近，裝置最上端高出水面約3～4 cm，保證了裝置最上端的天線全部至少是部分露出水面，有利于信號傳遞的順利進行。

3)水下監(jiān)測裝置下潛和上浮時間，隨阻尼盤直徑的增大略有增加，這有利于相變材料的相變過程特別是凝固過程順利完成；此外隨阻尼盤直徑的增大，外皮囊的體積變化量增大，這顯著地增大了浮力驅(qū)動系統(tǒng)的功耗，綜合比較認為阻尼盤直徑為50 cm比較合適。

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Hydrodynamic Characteristics of Underwater Monitoring Devices Driven by Ocean Thermal Energy

LIANG Ze-de1,2, WANG Shu-jie2, WANG Qing-yong1

(1.CollegeofArchitectureEngineering,QingdaoAgricultureUniversity, Qingdao 266109, China； 2.CollegeofEngineering,OceanUniversityofChina, Qingdao 266100, China)

The underwater monitoring devices moving vertically and driven by ocean thermal energy are taken as the research object and numerical solution has been done for basic motion equations at different movement stages through MATLAB/Simulink simulation. The results show that under the given conditions it takes about 2 900 s for the underwater monitoring devices submerging from the surface down to 500 m deep, and it takes about 2 890 s for the underwater monitoring devices rising from the 500 m deep upward to the surface. The time for the underwater monitoring devices moving in water increases slightly with the increase of the diameter of damping plate, which is beneficial to the phase transition of phase-change material, particularly to the completing of solidification. With the enlargement of the damping plate diameter, however, the power consumption of buoyancy system increases. Through a comprehensive comparison, 50 cm is considered to be suitable for the damping plate diameter.

underwater monitoring device; ocean thermal energy; hydrodynamic analysis; profile detection; numerical calculation

1002-3682(2015)03-0064-13

2015-02-07

梁澤德(1977-)，男，博士，主要從事可再生能源利用方面研究.E-mail：liangzede1977@126.com(王佳實 編輯)

P715

A