水平搭载的剖面漂流浮标型线优化设计研究

2021-04-23任万龙郝宗睿华志励

齐鲁工业大学学报 2021年2期

任万龙,郝宗睿,王越,刘刚,华志励

齐鲁工业大学(山东省科学院) 海洋仪器仪表研究所,青岛 266001

在海洋科学研究中,自持式剖面漂流浮标(ARGO浮标)是一种常用的海洋监测及气候预报的科研平台,通常其采用垂直释放的模式[1]。随着研究的发展,自持式剖面漂流浮标需要通过航行器搭载,运行至指定地点定深投放,从而探测指定地点的海洋环境。ARGO浮标常见结构形式是球形结构[2]、柱体结构[3]、柱球一体[4]等,这些结构形式的浮标均适用船上抛载投放,不适用于水下搭载运输投放。上述浮标结构为不规则结构体,局部存在较大的凸起,在水平搭载运输过程中极易诱发不稳定流动,产生非线性涡旋结构,一方面增加航行阻力,一方面增加了水平搭载的不稳定性因素[5]。上述几种结构中,柱形浮标较为适合进行水下搭载投放。因此,本文以柱形浮标为原始模型,在不改变浮标原始尺寸的前提下,对柱形浮标外部结构型线进行修正,从而使其满足需求。

本文基于水下航行器的流线型外形,对原始柱形浮标提出三种改造方案,采用数值计算的方法,分析三种型线的阻力性能及其造成的流场特性,对比局部涡旋结构演化,结合速度分布及压力分布,确定符合水下搭载需求的型线,以减小浮标搭载航行的阻力,节省航行器能源,便于深远海投放。

1 模型介绍

1.1 湍流模型

采用流体分析软件,进行浮标改造方案的性能计算。在标准k-ε的基础上,还有多种改进的湍流模型[6],其中比较常用的是RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型。文中选取RNG k-ε二方程湍流模型来封闭RANS方程[7]。

其控制方程如下:

(1)

(2)

1.2 型线模型

常用的回转体流线型有Mring曲线、格兰韦尔线型、卡克斯线型等[8],本文采用常用的Myring曲线作为基础型线[9],进行浮标外壳的优化。Mring线型的头部曲线方程为:

(3)

尾部曲线方程如下:

(4)

式中,a为首部长度,b为平行中体长度,c为尾部长度,d为平行中体直径,n为锐度因子,θ为去流角(单位弧度)；aoffset为首部长度修正值。

2 模型修改及网格划分

2.1 修正模型分类

原有的浮标结构整体结构呈柱状,如图1 a)所示。局部表面由于功能性的设计需求具有多处凸起结构,在水平搭载航行中易产生涡旋结构,从而导致阻力增加。结合低阻流线的设计需求,利用Myring曲线对浮标外部凸起结构进行局部修改,获得三个修正型,如图1 b)至d)所示。

注:a)原浮标结构；b)方案1；c)方案2；d)方案3

2.2 网格划分

采用ICEM软件实现浮标模型网格划分工作,通过其强大的功能和可视化操作,对浮标原始模型及3种修正方案进行网格划分[10]。考虑计算模型的表面区域非规则体,选择非结构网格划分方法,对浮标表面进行加密处理,以便捕捉标体表面的流动,准确计算标体运动情况。计算域为一个包围浮标的圆柱体,半径为2倍体长,保证边壁不会影响标体的流动,使其充分扩散；计算域入口距离浮标头部3倍体长,出口距离浮标尾部6倍体长,以确保来流和尾流充分发展。计算域入口设置为velocity-inlet,出口设置为outflow,边壁设置为无滑移边界条件。为保证计算计算精度,对标体表面进行加密处理,以获得精确的计算结果。计算域及标体网格如图2所示。

图2 计算域及标体网格

2.3 网格无关性验证

考虑到数值计算过程中,网格的质量会影响计算结果,本文以浮标在2 kn时的阻力预测值变化小于5%作为网格相关性验证,网格总数分别为28万、50万、80万,网格质量均在0.3以上,满足网格质量要求。网格无关性检查如表1所示。从表中可以看出,case 2和case 3的阻力误差均小于5%,考虑计算成本,选择case2作为最终计算网格。计算网格数量为38万,节点数为6万。

表1 网格无关性检查

3 结果分析

3.1 速度场分析

数值计算完成后,选择中纵剖面,获得各个剖面的速度云图如图3所示。从图中可以看出,原标体拖着距离较长的尾流,尾流内涡旋结构复杂,严重耗散了浮标水平航行的能量；而方案1的速度场分布比较均匀,速度波动较小,流域内极大值速度小于其他方案；方案2的速度场在尾部产生明显的速度梯度,且区域范围较大,且具有较长的尾流,较原始模型小的多,但仍会耗散部分航行能量；方案3在首部位置和尾部位置产生与方案1相似的速度梯度分布,其速度分布与方案1类似。从图中可以看出,导流壳的安装有效的避免了浮标局部凸起的引起的不稳定绕流,将流动平稳过渡,从此来看,导流壳的安装有效的减少水平搭载的阻力。

图3 速度云图

图4为原始模型与不同改造方案的涡量分布。从图中可以看出,原标体的首部盘状结构处,涡量值较大,由此判断产生大量的涡旋结构,同时尾部也具有明显的涡量分布,形成两道尾涡,大量涡旋结构的产生消耗了标体航行的能量。方案1整体的涡量分布较为均匀,在尾部位置具有涡量分布,产生了局部小的涡旋结构。而方案2在首部两侧具有明显涡量分布,意味着产生了强度较大的涡旋结构,向标体两侧扩展；尾部由于是个截平面,形成钝体绕流,两侧也对称分布着涡量,诱发交替的涡旋结构脱落,向后方延伸。方案3由于其处理上与方案1类似,仅在平行中体出有所差别,因此,整体涡量分布与方案1类似,在头部收缩位置和尾部扩散位置具有较大的涡量值。

图4 涡量对比图

3.2 压力场分析

图5为三种不同方案表面压力分布与原标体对比。从图中可以看出,原标体的头部呈盘状结构,严重阻碍水流,其压力较大,盘状结构后边形成绕流,出现低压区,而在尾部结构处由于标体结构缺少平缓过度,形成凸起同样因为绕流,在前方形成高压区,凸起后侧为低压区；方案2压力较高的位置是在首部收缩和尾部扩散处,方案3的首部压力较低,首部收缩和尾部扩散的位置与方案2的变化趋势一致,这是由于这两种方案的结构形式所致。而方案1的压力分布最为均匀,压力整体没有明显的高低交替的位置,这也代表方案1的附近很少出现涡旋结构,流线整体变化较为平坦。从标体表面的压力分布来看,通过流线修改,可以有效的改善其压力分布。在压力分布方面,方案1的优化策略优于其他两种方案。

图5 压力分布

图6为标体中纵剖面处压力分布。图中可以看出,原标体的压力分布均值较大均高于其他优化方案,且在首部和尾部等局部结构压力差较大,与前面压力分布相对应；方案1的压力分布较为均匀,仅在首部尾部位置存在较大的压力变化,整个平行中体位置压力分布较为均匀,在首尾两侧由于筒体直径的变化,导致压力出现抖动；方案2和方案3由于伴随标体进行局部改造,在局部改造的位置存在较大的压力脉动变化。从图中也明显看出,尽管方案3的压力突变也有,但是其整体压力分布较低,与图5压力分布相对应。

3.3 阻力分析

通过对原模型及三个优化方案的阻力计算,获得阻力计算结果,如图7所示。从图中可以看出,在2～4 kn的航速内,原标体的阻力最大,优化方案的阻力明显小于原标体阻力。方案1的阻力比原标体减小了84%,方案2的阻力减小了51.8%,方案3的阻力介于方案1和方案2之间,其阻力减小了77%。三种方案中,方案1的改动最大,其效果最为明显,方案2的改动最小,其阻力减小最少,而方案3的改动仅比方案2多一个尾部的结构,但其减小的范围与方案1类似。随着航速的增加,优化方案的阻力减小更多,以方案1的阻力减小最为明显。在低航速范围内,随着航速的增加,阻力增加有限。

图7 阻力曲线

3.4 偏转力分析

浮标在被搭载下行过程中,会受到偏转力矩的作用,考虑浮标搭载下行过程中,主要是以某和速度下行。本文以水平航速不变,增加垂向速度,分析其不同方案下的偏转力和偏转力矩,具体结果如图8至9所示。

图8 偏转力分析

图9 偏转力矩分析

通过计算,发现无论是偏转力矩还是偏转力,优化方案的偏转力和偏转力矩都减小。在偏转速度为0.3 m/s时,其中方案1的偏转力比原标体减小47%,偏转力矩减小57%；方案2和方案3都减小,其中,方案2减小最少,偏转力为25%,偏转力矩减小48%。而方案3的偏转力和偏转力矩介于方案1和方案2之间。从中可以看出,优化方案改善了原标体的航行中的偏转特性,对比各优化方案,方案1最适合搭载航行。