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数值仿真,探索海洋漂流浮标设计新思路

2019-09-04 10:06:11 来源: 中国海洋报 作者: 刘川
摘要:该项目对表层漂流浮标随流运动特性进行了研究,明晰了水帆、风场条件、流场(海水流体环境)条件等影响浮标随流性的规律。

  原标题:数值仿真,探索漂流浮标设计新思路

  近日,国家海洋技术中心科技创新基金项目“基于数值方法的水帆面积对漂流浮标随流性影响研究”通过验收。该项目负责人、国家海洋技术中心工程师彭家忠表示,海洋表层漂流浮标是布放于海面,自动连续观测气温、风速、风向、水温、波浪、海流等水文气象数据的浮标,能为海洋防灾减灾提供支撑服务。该项目对表层漂流浮标随流运动特性进行了研究,明晰了水帆、风场条件、流场(海水流体环境)条件等影响浮标随流性的规律。

  随流性技术研究迫在眉睫

  在我国,表层漂流浮标是发展历史较长、使用广泛的海洋仪器。与其他观测仪器相比,表层漂流浮标有三大优势:一是能跟踪海面下几十米的海流运动,这是卫星遥感技术难以实现的;二是能进行长时间、大范围观测,而海流计、声学多普勒流速剖面仪等观测仪器多用于定点精细化观测;三是其观测的海流速度可以揭示海洋环境中物质运输和能量运输过程,对于研究暖流、大洋环流、黑潮延伸体、中尺度涡等海洋科学问题具有重要支撑作用。

  “通过表层漂流浮标三大优势可以看出,对海流的跟踪观测是该浮标非常重要的一个方面。”彭家忠说。

  据彭家忠介绍,表层漂流浮标的结构比较复杂,水帆是其重要组成部分,是浮标下面起到稳定运动作用的装置,它能够提升浮标跟踪海流的准确性。但是在长期的应用实践中,人们对水帆影响浮标运动状态的规律了解较少,造成表层漂流浮标随流性技术不完善,浮标质量参差不齐,开展相关研究迫在眉睫。

  为此,2016年12月,“基于数值方法的水帆面积对漂流浮标随流性影响研究”项目获批立项,彭家忠和团队开始对表层漂流浮标随流运动特性进行研究。“我们的研究选取的是SVP型表层漂流浮标。SVP型表层漂流浮标的主要功能是跟踪观测,而随流性则是其观测是否可靠最直观的评价指标。”彭家忠说。

  彭家忠进一步解释说,SVP是大型国际合作项目世界海洋环流试验中的一个计划,该项目中大量采用了一种表层漂流浮标用于观测海流,后来这类浮标被称为SVP型浮标。

  应用数值方法研究鲜有先例

  在广泛查询阅读国内外关于表层漂流浮标研究及应用的文献之后,团队决定采用数值仿真方法对漂流浮标的随流性进行研究。但是在目前已公开发表的文献中,应用数值仿真方法对表层漂流浮标随流性进行研究鲜有先例。

  研究一开始,团队就遇到一个棘手难题,如何针对表层漂流浮标数值建模及计算?

  “这主要是由于表层漂流浮标为多体结构,浮标体与水帆之间采用柔性连接,浮标的局部尺寸(如系缆直径)与整体尺寸(如水帆)相差巨大,仿真计算涉及流固耦合等,导致对表层漂流浮标的数值建模及计算难度太大了。”彭家忠坦言。

  在项目开始后的4个月时间内,团队成员不断尝试,调整建模参数、优化网格,最终获得了良好可信的计算数据。彭家忠说:“在前期问题分析阶段,我们认识到以现有的计算资源,采用通用计算流体力学软件无法完成计算。经过调研后,大家决定采用一款海洋工程专用的水动力学计算软件。该软件可以方便地解决流固耦合问题,降低计算的难度。”

  通过对配置不同水帆的表层漂流浮标模型进行大量算例的数值仿真,团队研究出浮标在多种工况条件下的运动特性,从中揭示出水帆、海面风速、海面流速、观测层流速等多个因素对浮标随流性的影响机理,提出了SVP型表层漂流浮标的适用范围,并指出了多参数表层漂流浮标在跟踪海流方面的局限性。

  值得一提的是,项目探索出的数值仿真方法,可以以极低的经济成本获得丰富的浮标运动特性数据,应用价值非常高。

  海上试验检验仿真结论

  仿真计算获得的结论跟真实的情况是否一致?海上试验是最好的检验。

  2018年6月,在青岛附近海域,团队专门组织开展了海上试验。他们制作了3个配置不同大小水帆的浮标试验模型,将其布放到真实海洋环境中进行测试,通过位于天津的地面接收站获取浮标观测数据。试验现场利用船载声学多普勒流速剖面仪尾随浮标获取流速数据参考值,利用超声风速风向仪获取试验场风速数据。

  海试当天的情形彭家忠记忆犹新,试验当天我们天亮前就出发,在行驶途中,准备好要布放的浮标及其他设备。经过一个多小时的航行,试验船到达试验海域。船停后,我们迅速安装连接试验设备,准备将浮标布放入海。

  在试验过程中,配置大号水帆的浮标在布放时出现了一个小插曲,由于水帆尺寸过大,按正常布放流程操作后,水帆在海面堆叠,导致帆布之间存在大量空隙,海水不能顺利浸透而无法下沉。在试验人员人工干预后,该浮标才布放成功。“当天的试验一直持续到傍晚才结束。”彭家忠说。

  海上试验获得了7小时的有效数据,经过后续分析处理,试验结果与仿真计算结果一致性良好,从而验证了仿真计算的准确性。

  研究结论获得专家好评

  2019年8月,项目通过验收,其研究结论获得了专家的好评。专家认为,项目研究结论中关于水帆面积、海面风速、海表面流速、观测层流速等对漂流浮标运动特性的影响规律,丰富了表层漂流浮标技术研究的理论成果,为表层漂流浮标的设计、评价及选型应用提供了依据;研究结论指出了表层漂流浮标的适用范围,可以帮助科研人员进行数据质量控制;项目对漂流浮标的设计理论公式进行了分析修改,拓展了其适用范围,可以指导设计应用于较恶劣海况下的漂流浮标,以及指导多参数表层漂流浮标的设计。

  项目通过验收后,团队仍然有许多工作要继续开展。彭家忠说,目前,我们在数值仿真过程中考虑了风、表面海流、观测层海流等环境因素对表层漂流浮标运动的影响,但未考虑波浪对浮标运动的影响,在下一步研究计划中要把波浪作为仿真计算的一个边界条件,以保证仿真过程更接近真实工作环境。本项目仅以球形浮标体的SVP浮标作为仿真计算及试验对象,且研究所涉及的水帆只有最常见的薄壁桶状水帆,因此本项目研究结论对其他结构形式的表层漂流浮标设计指导意义稍有欠缺。在下一步研究中,我们将对多种结构形式的浮标进行精细化研究,从而推动表层漂流浮标系列化发展。


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