劉 浩陳 亮王火平連偉琪曲志平熊學軍

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司,廣東 深圳 518000;2.自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061;3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室,山東 青島 266237;4.自然資源部海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室,山東 青島 266061;5.青島科技大學機電工程學院,山東 青島 266061)

海洋觀測浮標是一種可以搭載海洋環(huán)境要素觀測設備或傳感器的穩(wěn)定平臺,具有長期、定點、連續(xù)、實時、全天候觀測等諸多優(yōu)勢。在海洋觀測浮標技術發(fā)展初期,大多采用的是直徑不小于8 m 的大型浮標。例如,20世紀中期美國建造的浮標網(wǎng),其浮標直徑均為10～12 m;1978年10月,中國正式投入使用的HFB-1A 型浮標,其直徑為10 m[1]。這是因為浮標的尺寸越大,其穩(wěn)定性越好[1]。大型浮標雖然穩(wěn)定性好,但其建造成本高,布放、維護和回收的難度較大。因此,隨著CMOS微處理機技術的進步和衛(wèi)星通信技術在海洋設備上的應用以及材料工藝的發(fā)展,浮標越來越趨向于小型化[2]。

按照海洋觀測浮標的結構形式,可以將其分為圓盤形、球形、船形和柱形等[3-4]。其中柱形浮體或準柱形浮標在海洋觀測中應用最為廣泛,其優(yōu)點在于吃水線深、穩(wěn)定性好、不易傾覆、造價低等[4]。在內(nèi)波觀測和預警應用中,海流及溫鹽剖面的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)需要通過海面浮標實時傳輸回陸地基站或應用平臺。海流剖面觀測數(shù)據(jù)的實時傳輸目前主要有2種方式:第一種是采用觀測設備與海面標體分離的方式,即將海流剖面觀測儀(如聲學多普勒流速剖面儀,Acoustic Doppler Current Profilers,ADCP)安裝于水下主浮體內(nèi),通過傳輸纜或其他通訊方式將采集的數(shù)據(jù)傳輸至海面標體,再通過安裝在海面標體上的天線經(jīng)衛(wèi)星實時傳輸回基站;第二種是將海流觀測設備與海面通進而訊裝置均安裝在海面浮標上[5],這種方式避免了數(shù)據(jù)采集傳輸至海面信標的中間過程,更為簡單直接,降低了數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)故障的可能性。

在第二種方式中,由于海流觀測設備直接安裝在海面標體上,其姿態(tài)必然會受到海面波浪的影響。以ADCP為例,當其橫搖(Pitch)或縱搖(Roll)傾角超過20°時,觀測數(shù)據(jù)將會失效。因此,有必要針對在海面波浪影響下的觀測浮標的傾角問題進行研究。本文將以柱形觀測浮標為例,討論在標準波浪影響下浮標的姿態(tài)變化,并給出小型化柱形觀測浮標合理的設計尺寸。

1 浮標設計和模擬方法

本文針對美國RDI公司生產(chǎn)的RDI 75k ADCP,設計了一種包裹式圓柱形內(nèi)波觀測浮標(以下簡稱柱形觀測浮標)(圖1a),其內(nèi)徑比75k ADCP艙體直徑大1 cm,可確保75k ADCP艙體剛好安裝于柱形觀測浮標內(nèi)。浮體選用空心玻璃微珠與環(huán)氧樹脂飽和混合加溫固化成型的復合型浮體材料,其密度為450 kg/m3。在后續(xù)計算和模擬過程中,對ADCP的換能器頭部進行了簡化,將其近似為直徑40 cm 、厚度10 cm 的圓餅形。圖1b為圓柱形觀測浮標模型的二維圖,本文探討了控制浮體直徑D(或高度H)不變、在標準波浪(浪高1 m)的影響下,不同高度H(直徑D)浮體的姿態(tài)(橫搖和縱搖)變化情況。本文采用Solid Works軟件[6]對不同尺寸參數(shù)的該型浮標進行建模,采用ANSYS Workbench 2020軟件[7]中的AQWA 模塊對該型浮標進行網(wǎng)格劃分和姿態(tài)模擬。

圖1 包裹式圖柱形內(nèi)波觀測浮標模型Fig.1 Model of the package-type cylindrical inner wave observation buoy

1.1 AQWA軟件理論基礎

基于AQWA 軟件的三維勢流理論基本假設,假設流體中的流速場(φ)是標量函數(shù)梯度的流,是無旋、無黏、不可壓縮的理想流體,滿足以下的邊界條件[7]:

式中:n為法線方向的變量;v j為浮體在(x,y,z)點的方向速度;f j為(x,y,z)點的有限微元的面積。

5)輻射條件:

AQWA 軟件中的參考坐標系Oxyz坐標原點在水平面上,Oxy平面與水面重合,z軸垂直于水面向上,模型在坐標系中位置如圖1b所示。

利用ANSYS Workbench 2020的Hydrodynamic Diffraction模塊進行頻域計算,計算在去向與x軸間的夾角為90°、周期在1～20 s范圍內(nèi)的波浪作用下,柱形觀測浮標的橫搖傾角大小,通過對比尋找最優(yōu)的模型參數(shù)解。

1.2 三維建模與參數(shù)設置

改變柱形觀測浮標的形狀尺寸參數(shù),記錄下不同形狀尺寸模型的質(zhì)量、質(zhì)心坐標,并計算模型的吃水線(ζ)、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù),導入ANSYS Workbench 2020的Hydrodynamic Diffraction模塊中進行頻域分析。

柱形觀測浮標觀測海域在南海北部陸坡區(qū),因此全局變量參數(shù)設置如下:水深300 m,水域模型為邊長100 m 的正方形海域,海水密度1 025 kg/m3,重力加速度9.8 m/s2,計算波浪周期1～20 s,波浪振幅1 m。質(zhì)量參數(shù)根據(jù)在Solid Works軟件中記錄的不同尺寸浮體參數(shù)進行設置。

1.3 網(wǎng)格劃分

利用AQWA 軟件,根據(jù)柱形觀測浮標尺寸大小進行自動網(wǎng)格劃分,定義網(wǎng)格單元的最大尺寸為0.05 m,得到浮體的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 柱形觀測浮標的網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division of the cylindrical buoy

保持外界的環(huán)境載荷條件相同,利用ANSYS Workbench 2020軟件的AQWA 模塊進行水動力計算,分析柱形浮標在不同直徑、不同高度情況下的橫搖運動響應。通過對比不同尺寸浮標的橫搖幅值響應因子(Response Amplitude Operators,RAO)的差異,可以得出穩(wěn)定性最好的浮標尺寸,確定小型化柱形觀測浮標的最優(yōu)設計尺寸。

本文在確保浮力足夠的情況下,設計了48種不同尺寸的柱形浮標,來分析比較在外界載荷相同的情況下,不同外形參數(shù)浮標的橫搖響應RAO。各種尺寸浮標的吃水線計算結果如表1所示。

表1 不同直徑和高度柱形觀測浮標的吃水線(m)Table 1 Draft lines of the buoys with different diameters and heights(m)

2 結果分析

2.1 浮體直徑變化對柱形觀測浮標橫搖的影響

圖3為限定浮體高度不變,在1～20 s周期的波浪影響下不同浮體直徑的柱形浮標橫搖傾角變化情況。從圖3可見,當浮體高度為1.3 m 時,在保證浮體浮力足夠的情況下,無論浮體的直徑如何變化,柱形觀測浮標橫搖角度在波浪周期為1～20 s時均不超過20°;當浮體高度為1.0 m,且浮體直徑在0.6 m 以下時,其橫搖傾角在波浪周期為9～10 s時會超過20°,最大可達41°;當浮體高度為1.1、1.2、1.4和1.5 m,浮體直徑在0.5 m 以下時,其橫搖傾角在波浪周期為4～10 s時均有可能超過20°(對不同高度柱形浮標,其橫搖傾角超過20°對應的波浪周期有所不同);當浮體高度為1.4 m 和1.5 m 時,最大橫搖角度甚至會超過90°,這與柱形觀測浮標固有頻率與波浪頻率一致、二者發(fā)生共振有關[8]。此外,由圖3還可見,在高頻(周期小于5 s)波浪影響下,當浮體直徑大于0.8 m 時,其橫搖角度明顯比直徑為0.6～0.7 m 時大。由此可見,在高頻波浪的影響下,并非直徑越大,柱形觀測浮標越穩(wěn)定。

圖3 浮體直徑變化對柱形觀測浮標柱形觀測橫搖的影響Fig.3 Influence of the change of floating body diameter on the roll of the cylindrical buoy

2.2 浮體高度變化對柱形觀測浮標橫搖的影響

圖4為限定浮體直徑不變,在1～20 s周期的波浪影響下不同浮體高度的柱形浮標橫搖傾角變化情況。由圖4可見,當浮體直徑為0.4 m 時,幾乎各種高度的浮體樣本(H=1.3 m 除外)在波浪周期低于10 s時,均出現(xiàn)了橫搖角度超過20°的情況;當浮體直徑為0.5 m 、高度為1 m 時,在周期為9～10 s的波浪影響下,同樣出現(xiàn)了橫搖角度超過20°的情況;而當直徑不小于0.6 m 時,其在周期為1～20 s的波浪影響下,波浪橫搖角度均不超過20°。但當浮體直徑為0.7 m 時,柱形觀測浮標最為穩(wěn)定。由此可見,在高頻波浪的影響下,并非直徑越大,浮標越穩(wěn)定。

圖4 浮體高度變化對柱形觀測浮標橫搖的影響Fig.4 Influence of the change of floating body height on the roll of the cylindrical buoy

2.3 柱形觀測浮標尺寸的選取

通過分析可知,在波浪周期為1～20 s范圍內(nèi)、浮體直徑一定的前提下,浮體的高度為1.3 m 時姿態(tài)最穩(wěn)定,橫搖角度沒有出現(xiàn)極端的數(shù)值結果,且總體橫搖較小;浮體高度一定的前提下,柱形觀測浮標的直徑在0.7 m 時姿態(tài)最穩(wěn)定。當浮體高度為1.3 m 時(圖5a),不同浮體直徑對柱形觀測浮標穩(wěn)定性的影響。從圖5可見,當浮體直徑為0.6和0.7 m 時,柱形觀測浮標相對最穩(wěn)定,其橫搖角度在周期為1～20 s的波浪作用下均小于10°;當浮體為其他直徑時,在高頻波浪影響下,柱形觀測浮標橫搖角度有可能會超過10°。圖5b展示了浮體直徑為0.7 m 時,不同浮體高度對柱形觀測浮標穩(wěn)定性的影響。從圖5b可見,在浮體直徑為0.7 m時,浮體高度對柱形觀測浮標的穩(wěn)定性影響差別較小,其橫搖角度均能控制在10°以內(nèi)。而當浮體高度為1.2和1.3 m 時,在高頻波浪影響下,橫搖角度相對更小,表現(xiàn)為最穩(wěn)定。

圖5 不同周期波浪影響下的柱形浮標橫搖角度變化曲線Fig.5 Changes of the roll angle of the cylindrical buoy under the influence of the waves with different periods

3 結 論

隨著浮標觀測技術的發(fā)展,海面浮標越來越趨向于小型化,本文針對所設計的48種不同尺寸的柱形觀測浮標,采用Solid Works軟件和ANSYS Workbench 2020軟件,分析比較了在外界載荷相同的情況下,不同外形參數(shù)柱形觀測浮標的橫搖變化情況。分析結果表明:

1)當浮體高度為1.3 m 時,在保證浮體浮力足夠的情況下,對于各種本直徑的柱形觀測浮標,在周期為1～20 s的波浪影響下,其橫搖角度均可不超過20°;當浮體高度為1.1、1.2、1.4和1.5 m,浮體直徑在0.5 m以下時,其橫搖角度在波浪周期為4～10 s時均有可能超過20°(不同浮體高度,橫搖角度超過20°對應的波浪周期有所不同);當浮體高度為1.4和1.5 m 時,最大橫搖角度甚至會超過90°,這與柱形觀測浮標固有頻率與波浪頻率發(fā)生共振有關[8]。因此,對于小型柱形觀測浮標的設計,需要特別注意避免高頻波浪與浮標固有頻率的共振問題。

2)當浮體直徑不小于0.6 m 時,對于所有浮體樣本高度,其橫搖角度在周期為1～20 s的波浪作用下均不超過20°;當浮體直徑為0.7 m 時,柱形觀測浮標最為穩(wěn)定,其橫搖角度最大不超過10°。在高頻(周期小于5 s)波浪影響下,當浮體直徑大于0.8 m 時,其橫搖角度明顯比直徑為0.6～0.7 m 時大。由此可見,在高頻波浪的影響下,并非直徑越大,柱形觀測浮標越穩(wěn)定。

3)對于所討論的48種不同尺寸的柱形觀測浮標,浮體高度為1.2～1.3 m、浮體直徑為0.6～0.7 m 時,柱形觀測浮標最為穩(wěn)定。

本文系統(tǒng)性地討論了小型柱形觀測浮標不同設計尺寸對其姿態(tài)的影響,并給出了最優(yōu)化設計尺寸,這對于小型浮標設計和表面浮標觀測剖面流具有重要的參考意義。