基于流-固耦合的不同外形抗拖網(wǎng)海床基外部流場分析?

于凱本， 劉保華， 楊 濤， 高 健， 李正光

(1.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100； 2.國家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266061； 3.青島科技大學(xué)，山東 青島 266061)

基于流-固耦合的不同外形抗拖網(wǎng)海床基外部流場分析?

于凱本1,2， 劉保華2， 楊 濤3， 高 健3， 李正光2

(1.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100； 2.國家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266061； 3.青島科技大學(xué)，山東 青島 266061)

本文采用計算流體動力學(xué)方法(CFD)，在考慮耦合場的條件下對2種不同形狀的抗拖網(wǎng)海床基外部流場進(jìn)行了流固耦合分析。根據(jù)抗拖網(wǎng)海床基的外形結(jié)構(gòu)，建立了抗拖網(wǎng)海床基流體動力學(xué)分析模型，利用ICEM CFD對其進(jìn)行前處理，并利用動網(wǎng)格技術(shù)對模擬區(qū)域的邊界條件進(jìn)行了設(shè)置。根據(jù)流固2種不同耦合方式的介紹及模擬對比分析，選擇了單向流固耦合方式。對兩種抗拖網(wǎng)海床基的外部速度場以及壓力進(jìn)行分析研究，抗拖網(wǎng)海床基外部流場的數(shù)值模擬可以為進(jìn)一步開展抗拖網(wǎng)海床基結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

CFD； 流固耦合； 海床基； 流場； 數(shù)值模擬

抗拖網(wǎng)海床基主要應(yīng)用于200 m水深淺海區(qū)域。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，可搭載各種儀器探測海底附近的海洋參數(shù)或海洋的剖面參數(shù)，同時根據(jù)有無水面與岸基能源支持的情況，分為自容式與有纜供電式[1]。

一套典型的抗拖網(wǎng)海床基是由抗拖網(wǎng)外罩和坐底平臺緊固配合，構(gòu)成主艙，能夠?yàn)閮?nèi)部搭載的儀器提供有效的保護(hù)。主艙內(nèi)分成多個艙室，主要有浮體艙和回收繩索艙，浮體艙內(nèi)安裝有聲學(xué)釋放單元、回收浮體和監(jiān)測儀器。同時還須輔助配有布放掛鉤及聲學(xué)水面甲板單元。

抗拖網(wǎng)海床基的外形主要以圓形和多邊形為主，部分海床基為四邊形，多具有流線型的外觀。意大利PROTECO SUB公司的抗拖網(wǎng)海床基外觀以圓型為主，美國Flo Tec公司則以多邊形結(jié)構(gòu)為特點(diǎn)[2-3]。圓臺形的抗拖網(wǎng)海床基由于內(nèi)部空間大，能夠搭載更多的儀器設(shè)備；多邊形的抗拖網(wǎng)海床基受內(nèi)部空間的限制，僅能搭載有限的儀器，但利于布放回收。兩種外形的抗拖網(wǎng)海床基須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行合理選擇。

由于抗拖網(wǎng)海床基布放到海底后，會破壞布放區(qū)域原先的平衡狀況，首先該區(qū)域內(nèi)海流流速因抗拖網(wǎng)海床基的突然加入而發(fā)生改變，進(jìn)而會導(dǎo)致海底沉積物的淤積平衡被打破，會出現(xiàn)抗拖網(wǎng)海床基底部泥沙被底流掏空導(dǎo)致海床基傾覆，甚至被泥沙掩埋，使得抗拖網(wǎng)海床基所搭載的儀器設(shè)備不能正常的工作。因此，本文根據(jù)中國近海環(huán)境情況，采用CFD軟件結(jié)合流固耦合分析對兩種不同外形的抗拖網(wǎng)海床基周圍外部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。分析了在單向海流作用下，兩種不同外形抗拖網(wǎng)海床基的外部流場特點(diǎn)及海床基所受流場壓力的影響。

1 水力學(xué)模型

直接數(shù)值模擬(DNS模型)、大渦流模擬(LES模型)、Reynolds平均方法(RANS模型)等形式的湍流模型均可以對抗拖網(wǎng)海床基周圍流場進(jìn)行模擬[4]。直接數(shù)值模擬(DNS)可以獲得湍流場的精確信息，是研究湍流機(jī)理的有效手段，但是現(xiàn)有的計算機(jī)資源往往難以滿足對高雷諾數(shù)流動模擬的需要，且其要求計算機(jī)內(nèi)存容量與機(jī)時非常大。大渦模擬(LES)基于湍動能傳輸機(jī)制，直接計算大尺度渦的運(yùn)動，小尺度渦運(yùn)動對大尺度渦運(yùn)動的影響則通過建立模型體現(xiàn)出來，但是其運(yùn)行需要龐大的計算及存儲能力，對大量數(shù)據(jù)處理和非線性偏微分方程的求解需要高速數(shù)值處理能力。Reynolds平均方法(RANS)對計算機(jī)的要求較低，可以很容易的從RANS方程解出湍流的統(tǒng)計量，幾乎能對多有的雷諾數(shù)范圍的工程問題進(jìn)行求解[4]。

所以綜合上述介紹，本文采用以雷諾時均N-S方程為基礎(chǔ)的RNGk-ε湍流模型來模擬布放到海底之后的抗拖網(wǎng)海床基外部流場。這里把抗拖網(wǎng)海床基周圍海水理想化，底流流動情況視為不可壓流動。此時雷諾時均N-S控制方程可以表示為：

(1)

(2)

其中：xi為i方向坐標(biāo)；t是時間；ρ和u代表流體的密度和速度；gi為重力加速度。

其中雷諾平均應(yīng)力定義為：

(3)

RNGk-ε湍流模型中的k方程和ε方程分別表示為：

(4)

(5)

其中：

μeff=μ+μt；

Cμ=0.084 5, αk=αε=1.39；

C1ε=1.42, C2ε=1.68；

η0=4.377, β=0.012。

RNGk-ε湍流模型是針對充分發(fā)展的湍流才有效的，即高Re數(shù)的湍流模型[5]。海床基布放到海底之后，海床面及海床基表面的海流流動為近壁區(qū)內(nèi)的流動，其Re數(shù)較低，這里采用壁面函數(shù)法進(jìn)行模擬。

2 兩種不同外形抗拖網(wǎng)海床基的建模

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

本文利用SolidWorks建立四棱臺形和圓臺形抗拖網(wǎng)海床基的簡化模型。在流體模型的構(gòu)建中去除了吊裝結(jié)構(gòu)，并對外罩上的開孔進(jìn)行了補(bǔ)全，使模型外表面完整光滑?？雇暇W(wǎng)海床基的外形如圖1和2所示，其中四棱臺形底邊尺寸為1 800mm×1 800mm，上邊尺寸為750mm×750mm，高為500mm；圓臺形底面直徑φ=1 800mm，頂面為直徑φ=750mm。為避免邊界條件對抗拖網(wǎng)海床基周圍流場產(chǎn)生影響，本文采用較大模擬計算空間，計算流域設(shè)置為長20m、寬8m、高8m的長方形。

圖1 四棱臺形抗拖網(wǎng)海床基外形圖

圖2 圓臺形抗拖網(wǎng)海床基外形圖

2.2 網(wǎng)格劃分

將之前生成的幾何模型導(dǎo)入到ICEM CFD中，設(shè)定整體網(wǎng)格尺寸，生成三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對海床基表面的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，得到的網(wǎng)格單元總數(shù)分別為：四棱臺型是33萬個左右，圓臺型是34萬個左右。劃分完網(wǎng)格之后的效果如圖3和4所示。

3 Fluent分析設(shè)置

3.1 邊界條件

求解器選取三維基于壓力基隱式求解器；對動量方程和標(biāo)量輸運(yùn)方程采用欠松弛技術(shù)，從而使得求解易于收斂，同時保證數(shù)值的穩(wěn)定性；N-S方程采用有限體積法求解，采用SIMPLE方法進(jìn)行壓力速度耦合，時間采用一階隱式，空間離散采用二階迎風(fēng)格式[6-8]。

由于海水流速受季節(jié)、潮汐及深度等多方面的影響，參照文獻(xiàn)[9]，對海水的模擬速度進(jìn)行選擇。

圖3 四棱臺形抗拖網(wǎng)海床基計算流域與周圍網(wǎng)格示意圖

圖4 圓臺形抗拖網(wǎng)海床基計算流域與周圍網(wǎng)格示意圖

水深Depth/m時間Time/月月平均速度Monthlymeanvelocity/cm·s-1速度方向Velocitydirection/(°)5084．3955916．943191017．312501142．82207200810．1692913．353461022．342311122．8324140089．1986912．803511018．952251115．79230

為了充分研究海床基在不同深度下海水流速的作用，分別選取50、200及400 m 3個不同水域下的最大流速進(jìn)行研究。為了分析方便，對3種水深下流速進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

表2 入口速度

出口速度：由于出口上的流動接近完全發(fā)展，出口處的流速和壓力為未知量，故采用outflow邊界條件。

3.2 流固耦合分析

流固耦合的力學(xué)分析是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而衍生的一門力學(xué)分支，是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響兩者相互作用的一門學(xué)科[10]。流固耦合分析有單向耦合分析[11]和雙向耦合分析[12]兩種。其分析流程如下所示。

雙向流固耦合較單向流固耦合更加全面，其可以分析流體流動的壓力作用于海床基而產(chǎn)生的變形及海床基由于變形對于流體流道的影響兩方面問題。但是其計算量大，分析效率較低。所以在分析時要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇耦合方式。

圖5 單向流固耦合分析

圖6 雙向流固耦合分析流程

圖7 單向耦合狀態(tài)

圖8 雙向耦合狀態(tài)

上圖為圓臺形海床基在不同耦合狀態(tài)下的變形圖，單向耦合狀態(tài)下海床基的變形為，雙向耦合狀態(tài)下的變形為。由分析結(jié)果可以看出，兩種狀態(tài)下海床基的變形量的仿真結(jié)果基本相同，同時海床基在海流狀態(tài)下的變形非常小，海床基的變形對海流的作影響較小。所以綜合分析數(shù)據(jù)，為了加快分析結(jié)果，提高分析效率，本次模擬選擇單向流固耦合方法。

3.3 動網(wǎng)格設(shè)置

動網(wǎng)格技術(shù)主要運(yùn)用于運(yùn)動邊界問題，可以計算邊界發(fā)生形變的問題。邊界的形變過程可以使已知的，也可以是取決于內(nèi)部流場變化。動網(wǎng)格的計算方法有3種，即彈簧光滑法(Spring-base Soothing)、動態(tài)層技術(shù)(Dynamic layering)和局部網(wǎng)格重畫法(Local remeshing)[13]。由于彈簧光滑模型原則上可以用于任何一種網(wǎng)格體系，且設(shè)置方便，本文動網(wǎng)格技術(shù)選擇彈簧光滑法。

在Dynamic mesh動網(wǎng)格設(shè)置面板中設(shè)置海床基表面為System Coupling，兩側(cè)壁面選擇Deforming。

4 兩種海床基外部流場分析結(jié)果及對比分析

4.1 速度場

以海水流速為0.5 m/s為例分析2種不同形式的海床基速度場，圖9和10分別為四棱臺形和圓臺形抗拖網(wǎng)海床基周圍海流速度矢量圖。圖中矢量箭頭表示海流的流動方向，方向由左到右，由圖中能夠看出，海流在流動方向上因抗拖網(wǎng)海床基的阻礙作用，流速在抗拖網(wǎng)海床基迎流面上的底部區(qū)域有明顯的下降，且速度最小，分別為7.99×10-3m/s(四棱臺形)和9.95×10-3m/s(圓臺形)。

海床基布放到海底之后會對整個區(qū)域產(chǎn)生一定的壓縮，從而導(dǎo)致在抗拖網(wǎng)海床基兩側(cè)以及頂部區(qū)域的海流流速加快，在海床基迎流面上邊緣區(qū)域出現(xiàn)最大值，分別為0.770 7 m/s(四棱臺形)和0.71 m/s(圓臺形)。比較兩圖得知，在同樣海流作用下圓臺形結(jié)構(gòu)的抗拖網(wǎng)海床基周圍海流速度的最大值比四棱臺型結(jié)構(gòu)要小很多，在相同尺寸情況下，可以將湍流的影響降至最小。

圖9 四棱臺形抗拖網(wǎng)海床基周圍海流速度矢量圖

圖10 圓臺形抗拖網(wǎng)海床基周圍海流速度矢量圖

4.2 壓力場

四棱臺形和圓臺形抗拖網(wǎng)海床基外表面以及周圍床面上在0.5海水流速下的壓力云圖分別如圖11和12所示。圖中顯示四棱臺形和圓臺形抗拖網(wǎng)海床基所受最大壓力分別為204和164 Pa，最大壓力出現(xiàn)在抗拖網(wǎng)海床基迎流面的底部，該區(qū)域同時也是海流流速最小的地方。

四棱臺形和圓臺形所受最大負(fù)壓分別為-226和-150 Pa，出現(xiàn)在抗拖網(wǎng)海床基的迎流面與背流面頂部，此處即為海流流速最大處。比較兩圖得知，圓臺形的結(jié)構(gòu)要比四棱臺型的承受的壓力小，從而減少受海流作用產(chǎn)生的位移。

圖11 四棱臺形抗拖網(wǎng)海床基表面壓力云圖

圖12 圓臺形抗拖網(wǎng)海床基表面壓力云圖

4.3 海床基底部流場分析

由于海床基布放于海底，且海床基底部設(shè)計有防沉地腳，布放過程中海床基底部可能與海底存在非常小的間隙，按照實(shí)際情況進(jìn)行模擬很難對底部流場進(jìn)行清晰的展示。所以為了研究海床基底部壓力場的分布，對海床基底部流域做適當(dāng)?shù)姆糯?，模擬結(jié)果如下所示。

圖13 底部流場分析

從上圖可以看出，海床基渦流發(fā)生區(qū)域均為尾部區(qū)域，且四棱臺海床基比圓臺形海床基更易出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，四棱臺海床基尾部渦流區(qū)域更大、更明顯，大的渦流會出現(xiàn)底部泥沙掏空，影響海床基坐底的平穩(wěn)性，所以進(jìn)一步證明了圓臺形海床基在控制局部海水流速方面的優(yōu)勢。

4.4 數(shù)據(jù)對比

圓臺形和四棱臺形抗拖網(wǎng)海床基在3種海流作用下速度和壓力對比見表3。從3種深度下海床基模擬結(jié)果可以看出，在不同流速下圓臺形海床基與四棱臺形海床基壓力及速度的改變趨勢相同，圓臺形海床基在局部應(yīng)力控制方面優(yōu)于四棱臺。

表3 四棱臺形和圓臺形的海床基外部流場模擬數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)語

通過SolidWorks建立了圓臺形和四棱臺形2種抗拖網(wǎng)海床基的CFD模型，通過對流固單向耦合和流固雙向耦合的比較，選擇了單向耦合方式分析海床基外部流場。通過模擬分析，得到了2種不同外形的抗拖網(wǎng)海床基周圍海流速度場和表面壓力場的分布圖。通過比較2種外形結(jié)構(gòu)的抗拖網(wǎng)海床基的流場分析結(jié)果，得知圓臺形結(jié)構(gòu)抗拖網(wǎng)海床基布放到海底后受到底流作用的影響較小，具有更高的穩(wěn)定性，在局部應(yīng)力控制方面效果更優(yōu)。

此外，通過本文的研究希望能夠?yàn)榭雇暇W(wǎng)海床基結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。

[1] 孫思萍. 海床基海洋環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 海洋技術(shù), 2000, 19(4): 1-7. SUN Si-ping. Seabed-base marine environment autornatic monitoring system[J]. Journal of ocean technology, 2000, 19(4): 1-7.

[2] WilliamJ, Teague, Dong S KO, et al. Currents Through the Korea/Tsushima Strait[J]. Oceanography , 2006, 19(3): 50-63.

[3] Deep Water Buoyancy. Trawl-Resistant Bottom Mounts[EB/OL]. [2014-04-15], [2014-10-20]. http:∥deepwaterbuoyancy.com/products/

[4] 張兆順. 湍流[M]. 北京: 國防出版社, 2002. ZHANG Zhao-shun. TURBULENCE[M]. Beijing: National Defend Industry Press, 2002.

[5] 王福軍. 計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004. WANG Fu-jun. Computational Fluid Dynamics Analysis-The Principle and Application of CFD Software[M]. Beijing: TSINGMUA UNIVERSITY PRESS, 2004.

[6] 劉杰, 吳承璇, 呂斌, 等. 基于CFD的海床基觀測平臺外部流場分析[J]. 山東科學(xué), 2012, 25(1): 65-68. LIU Jie, WU Cheng-xuan, LV Bin, et al. CFD based flow field analysis of a seabed monitoring platform[J]. 2012, 25(1): 65-68.

[7] 勞爾平, 齊梅蘭. 水下淹沒建筑物局部流場數(shù)值模擬及河床沖刷分析[J]. 水動力學(xué)研究與進(jìn)展, 2007, 22(1): 99-105. LAO Er-ping, QI Mei-lan. Numerical simulation on local scour at downstream of submerged constructions[J]. Journal of Hydrodyn Amics, 2007, 22(1): 99-105.

[8] 徐天茂, 張立翔, 何士華. 基于微分求積法的三維非恒定、不可壓N-S方程的數(shù)值計算模型[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(理工版), 2005(8): 63-68. XUTian-mao, ZHANG Li-xiang, HE Tai-hua. Numerical computation model of unsteady 3D incompressible navier-stokes eguations by differential ouadrature[J]. Journal of Kunming University of Science and Technology, 2005(8): 63-68.

[9] 袁耀初, 趙進(jìn)平, 王惠群, 等. 南海東北部450 m以淺水層與深水層海流觀測結(jié)果及其譜分析[J]. 中國科學(xué)(D輯), 2002, 32(2): 163-176. YUAN Yao-chu, ZHAO Jin-ping, WANG Hui-qun, et al. Observation results and spectral analysis of 450 m in the northeastern part of the South China Sea on the shallow water and deep water layers[J]. Science in China (Series D), 2002, 32(2): 163-176.

[10] 許進(jìn)峰. ANSYS Workbench 15. 0完全自學(xué)一本通[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2014. XU Jin-feng. ANSYS Workbench 15. 0 Fully Self Taught a Pass[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2014.

[11] 朱利, 楊昌明, 鄭軍, 等. 基于流固耦合的軸流泵葉輪結(jié)構(gòu)分析[J]. 流體機(jī)械, 2013, 41(3): 20-23. ZHU Li, YANG Chang-ming, ZHENG Jun, etal. Structure analysis of axial flow pump impeller based on fluid-solid coupling[J]. Fluid Machinery, 2013, 41(3): 20-23.

[12] 馬富銀, 吳九匯, 王廣基. 雙向流固耦合動態(tài)換熱的分析方法[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報, 2013, 30(6): 894-898. MA Fu-yin, WU Jiu-hui, WANG Guang-ji. Double-sided fluid-structure coupling dynamicthermal analysis method[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2013, 30(6): 894-898.

[13] 周俊杰, 徐國權(quán), 張華俊. FLUENT工程技術(shù)與實(shí)力分析(下冊)[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2013. ZHOU Jun-jie, XU Guo-quan, ZHANG Hua-jun. Analysis of FLUENT Engineering Technology and Strength (2)[M]. Beijing: China Water & Power Press, 2013.

責(zé)任編輯 陳呈超

CFD Fluid-Structure Coupling Based Numerical Simulation Analysis of Exterior Flow Field on Deformed Trawl Resistant Seabed Basement

YU Kai-Ben1,2, LIU Bao-Hua2, YANG Tao3, GAO Jian3, LI Zheng-Guang2

(1.Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.National Deep Sea Center, Qingdao 266061, China; 3.Qingdao Science & Technology University, Qingdao 266061, China)

In this paper, the fluid structure interaction analysis is carried out on two different shapes of trawl resistant seabed basement under the condition of considering the coupling field by using the computational fluid dynamics method (CFD). Firstly, according to the shape structure of trawl resistant seabed basement, we established the CFD models of the flow field, performed its pretreatment by using ICEM CFD software, and set the boundary conditions of the simulated area by dynamic grid technique. The method of unidirectional fluid structure interaction is selected according to the instruction and simulation of two kind of different coupling modes. Studied the numerical simulation results about two kind of trawl resistant seabed basement in velocity and pressure. This research can provide reference for the further optimization about structure design of seabed basement.

CFD； fluid-structure coupling； seabed basement； flow field； numerical simulation

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“海洋污染過程監(jiān)測集成與氮磷承載量評估技術(shù)子項(xiàng)目‘海床基監(jiān)測系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)’”(200905007-5)資助 Supported by Marine Public Welfare Industry Research Special Funds Project“Marine Pollution Process Monitoring Integration and Nitrogen and Phosphorus Carrying Capacity Evaluation Technology Sub Project ‘Research and Development of Integrated Technology of Seabed Based Monitoring System’”

2015-03-12；

2015-11-12

于凱本(1977-)，男，高級工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟊O(jiān)測技術(shù)。E-mail: yukb@ndsc.org.cn

P715.5

A

1672-5174(2017)01-105-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20150112

于凱本， 劉保華， 楊濤， 等. 基于流-固耦合的不同外形抗拖網(wǎng)海床基外部流場分析[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2017, 47(1): 105-110.

YU Kai-Ben, LIU Bao-Hua, YANG Tao， et al. CFD fluid-structure coupling based numerical simulation analysis of exterior flow field on deformed Trawl Resistant Seabed Basement[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(1): 105-110.