水平搭載的剖面漂流浮標(biāo)型線優(yōu)化設(shè)計研究

任萬龍,郝宗睿,王 越,劉 剛,華志勵

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 海洋儀器儀表研究所,青島 266001

在海洋科學(xué)研究中,自持式剖面漂流浮標(biāo)(ARGO浮標(biāo))是一種常用的海洋監(jiān)測及氣候預(yù)報的科研平臺,通常其采用垂直釋放的模式[1]。隨著研究的發(fā)展,自持式剖面漂流浮標(biāo)需要通過航行器搭載,運行至指定地點定深投放,從而探測指定地點的海洋環(huán)境。ARGO浮標(biāo)常見結(jié)構(gòu)形式是球形結(jié)構(gòu)[2]、柱體結(jié)構(gòu)[3]、柱球一體[4]等,這些結(jié)構(gòu)形式的浮標(biāo)均適用船上拋載投放,不適用于水下搭載運輸投放。上述浮標(biāo)結(jié)構(gòu)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)體,局部存在較大的凸起,在水平搭載運輸過程中極易誘發(fā)不穩(wěn)定流動,產(chǎn)生非線性渦旋結(jié)構(gòu),一方面增加航行阻力,一方面增加了水平搭載的不穩(wěn)定性因素[5]。上述幾種結(jié)構(gòu)中,柱形浮標(biāo)較為適合進(jìn)行水下搭載投放。因此,本文以柱形浮標(biāo)為原始模型,在不改變浮標(biāo)原始尺寸的前提下,對柱形浮標(biāo)外部結(jié)構(gòu)型線進(jìn)行修正,從而使其滿足需求。

本文基于水下航行器的流線型外形,對原始柱形浮標(biāo)提出三種改造方案,采用數(shù)值計算的方法,分析三種型線的阻力性能及其造成的流場特性,對比局部渦旋結(jié)構(gòu)演化,結(jié)合速度分布及壓力分布,確定符合水下搭載需求的型線,以減小浮標(biāo)搭載航行的阻力,節(jié)省航行器能源,便于深遠(yuǎn)海投放。

1 模型介紹

1.1 湍流模型

采用流體分析軟件,進(jìn)行浮標(biāo)改造方案的性能計算。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε的基礎(chǔ)上,還有多種改進(jìn)的湍流模型[6],其中比較常用的是RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型。文中選取RNG k-ε二方程湍流模型來封閉RANS方程[7]。

其控制方程如下:

(1)

(2)

1.2 型線模型

常用的回轉(zhuǎn)體流線型有Mring曲線、格蘭韋爾線型、卡克斯線型等[8],本文采用常用的Myring曲線作為基礎(chǔ)型線[9],進(jìn)行浮標(biāo)外殼的優(yōu)化。Mring線型的頭部曲線方程為:

(3)

尾部曲線方程如下:

(4)

式中,a為首部長度,b為平行中體長度,c為尾部長度,d為平行中體直徑,n為銳度因子,θ為去流角(單位弧度)；aoffset為首部長度修正值。

2 模型修改及網(wǎng)格劃分

2.1 修正模型分類

原有的浮標(biāo)結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)呈柱狀,如圖1 a)所示。局部表面由于功能性的設(shè)計需求具有多處凸起結(jié)構(gòu),在水平搭載航行中易產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致阻力增加。結(jié)合低阻流線的設(shè)計需求,利用Myring曲線對浮標(biāo)外部凸起結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部修改,獲得三個修正型,如圖1 b)至d)所示。

注:a)原浮標(biāo)結(jié)構(gòu)；b)方案1；c)方案2；d)方案3

2.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件實現(xiàn)浮標(biāo)模型網(wǎng)格劃分工作,通過其強大的功能和可視化操作,對浮標(biāo)原始模型及3種修正方案進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10]?？紤]計算模型的表面區(qū)域非規(guī)則體,選擇非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法,對浮標(biāo)表面進(jìn)行加密處理,以便捕捉標(biāo)體表面的流動,準(zhǔn)確計算標(biāo)體運動情況。計算域為一個包圍浮標(biāo)的圓柱體,半徑為2倍體長,保證邊壁不會影響標(biāo)體的流動,使其充分?jǐn)U散；計算域入口距離浮標(biāo)頭部3倍體長,出口距離浮標(biāo)尾部6倍體長,以確保來流和尾流充分發(fā)展。計算域入口設(shè)置為velocity-inlet,出口設(shè)置為outflow,邊壁設(shè)置為無滑移邊界條件。為保證計算計算精度,對標(biāo)體表面進(jìn)行加密處理,以獲得精確的計算結(jié)果。計算域及標(biāo)體網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算域及標(biāo)體網(wǎng)格

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

考慮到數(shù)值計算過程中,網(wǎng)格的質(zhì)量會影響計算結(jié)果,本文以浮標(biāo)在2 kn時的阻力預(yù)測值變化小于5%作為網(wǎng)格相關(guān)性驗證,網(wǎng)格總數(shù)分別為28萬、50萬、80萬,網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上,滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。網(wǎng)格無關(guān)性檢查如表1所示。從表中可以看出,case 2和case 3的阻力誤差均小于5%,考慮計算成本,選擇case2作為最終計算網(wǎng)格。計算網(wǎng)格數(shù)量為38萬,節(jié)點數(shù)為6萬。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性檢查

3 結(jié)果分析

3.1 速度場分析

數(shù)值計算完成后,選擇中縱剖面,獲得各個剖面的速度云圖如圖3所示。從圖中可以看出,原標(biāo)體拖著距離較長的尾流,尾流內(nèi)渦旋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,嚴(yán)重耗散了浮標(biāo)水平航行的能量；而方案1的速度場分布比較均勻,速度波動較小,流域內(nèi)極大值速度小于其他方案；方案2的速度場在尾部產(chǎn)生明顯的速度梯度,且區(qū)域范圍較大,且具有較長的尾流,較原始模型小的多,但仍會耗散部分航行能量；方案3在首部位置和尾部位置產(chǎn)生與方案1相似的速度梯度分布,其速度分布與方案1類似。從圖中可以看出,導(dǎo)流殼的安裝有效的避免了浮標(biāo)局部凸起的引起的不穩(wěn)定繞流,將流動平穩(wěn)過渡,從此來看,導(dǎo)流殼的安裝有效的減少水平搭載的阻力。

圖3 速度云圖

圖4為原始模型與不同改造方案的渦量分布。從圖中可以看出,原標(biāo)體的首部盤狀結(jié)構(gòu)處,渦量值較大,由此判斷產(chǎn)生大量的渦旋結(jié)構(gòu),同時尾部也具有明顯的渦量分布,形成兩道尾渦,大量渦旋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生消耗了標(biāo)體航行的能量。方案1整體的渦量分布較為均勻,在尾部位置具有渦量分布,產(chǎn)生了局部小的渦旋結(jié)構(gòu)。而方案2在首部兩側(cè)具有明顯渦量分布,意味著產(chǎn)生了強度較大的渦旋結(jié)構(gòu),向標(biāo)體兩側(cè)擴(kuò)展；尾部由于是個截平面,形成鈍體繞流,兩側(cè)也對稱分布著渦量,誘發(fā)交替的渦旋結(jié)構(gòu)脫落,向后方延伸。方案3由于其處理上與方案1類似,僅在平行中體出有所差別,因此,整體渦量分布與方案1類似,在頭部收縮位置和尾部擴(kuò)散位置具有較大的渦量值。

圖4 渦量對比圖

3.2 壓力場分析

圖5為三種不同方案表面壓力分布與原標(biāo)體對比。從圖中可以看出,原標(biāo)體的頭部呈盤狀結(jié)構(gòu),嚴(yán)重阻礙水流,其壓力較大,盤狀結(jié)構(gòu)后邊形成繞流,出現(xiàn)低壓區(qū),而在尾部結(jié)構(gòu)處由于標(biāo)體結(jié)構(gòu)缺少平緩過度,形成凸起同樣因為繞流,在前方形成高壓區(qū),凸起后側(cè)為低壓區(qū)；方案2壓力較高的位置是在首部收縮和尾部擴(kuò)散處,方案3的首部壓力較低,首部收縮和尾部擴(kuò)散的位置與方案2的變化趨勢一致,這是由于這兩種方案的結(jié)構(gòu)形式所致。而方案1的壓力分布最為均勻,壓力整體沒有明顯的高低交替的位置,這也代表方案1的附近很少出現(xiàn)渦旋結(jié)構(gòu),流線整體變化較為平坦。從標(biāo)體表面的壓力分布來看,通過流線修改,可以有效的改善其壓力分布。在壓力分布方面,方案1的優(yōu)化策略優(yōu)于其他兩種方案。

圖5 壓力分布

圖6為標(biāo)體中縱剖面處壓力分布。圖中可以看出,原標(biāo)體的壓力分布均值較大均高于其他優(yōu)化方案,且在首部和尾部等局部結(jié)構(gòu)壓力差較大,與前面壓力分布相對應(yīng)；方案1的壓力分布較為均勻,僅在首部尾部位置存在較大的壓力變化,整個平行中體位置壓力分布較為均勻,在首尾兩側(cè)由于筒體直徑的變化,導(dǎo)致壓力出現(xiàn)抖動；方案2和方案3由于伴隨標(biāo)體進(jìn)行局部改造,在局部改造的位置存在較大的壓力脈動變化。從圖中也明顯看出,盡管方案3的壓力突變也有,但是其整體壓力分布較低,與圖5壓力分布相對應(yīng)。

3.3 阻力分析

通過對原模型及三個優(yōu)化方案的阻力計算,獲得阻力計算結(jié)果,如圖7所示。從圖中可以看出,在2～4 kn的航速內(nèi),原標(biāo)體的阻力最大,優(yōu)化方案的阻力明顯小于原標(biāo)體阻力。方案1的阻力比原標(biāo)體減小了84%,方案2的阻力減小了51.8%,方案3的阻力介于方案1和方案2之間,其阻力減小了77%。三種方案中,方案1的改動最大,其效果最為明顯,方案2的改動最小,其阻力減小最少,而方案3的改動僅比方案2多一個尾部的結(jié)構(gòu),但其減小的范圍與方案1類似。隨著航速的增加,優(yōu)化方案的阻力減小更多,以方案1的阻力減小最為明顯。在低航速范圍內(nèi),隨著航速的增加,阻力增加有限。

圖7 阻力曲線

3.4 偏轉(zhuǎn)力分析

浮標(biāo)在被搭載下行過程中,會受到偏轉(zhuǎn)力矩的作用,考慮浮標(biāo)搭載下行過程中,主要是以某和速度下行。本文以水平航速不變,增加垂向速度,分析其不同方案下的偏轉(zhuǎn)力和偏轉(zhuǎn)力矩,具體結(jié)果如圖8至9所示。

圖8 偏轉(zhuǎn)力分析

圖9 偏轉(zhuǎn)力矩分析

通過計算,發(fā)現(xiàn)無論是偏轉(zhuǎn)力矩還是偏轉(zhuǎn)力,優(yōu)化方案的偏轉(zhuǎn)力和偏轉(zhuǎn)力矩都減小。在偏轉(zhuǎn)速度為0.3 m/s時,其中方案1的偏轉(zhuǎn)力比原標(biāo)體減小47%,偏轉(zhuǎn)力矩減小57%；方案2和方案3都減小,其中,方案2減小最少,偏轉(zhuǎn)力為25%,偏轉(zhuǎn)力矩減小48%。而方案3的偏轉(zhuǎn)力和偏轉(zhuǎn)力矩介于方案1和方案2之間。從中可以看出,優(yōu)化方案改善了原標(biāo)體的航行中的偏轉(zhuǎn)特性,對比各優(yōu)化方案,方案1最適合搭載航行。

4 結(jié) 論

針對柱形浮標(biāo)型線優(yōu)化提出三種優(yōu)化方案,優(yōu)化浮標(biāo)的外部型線,對浮標(biāo)的水動力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響。本文利用CFD數(shù)值仿真技術(shù),開展相關(guān)計算,對不同方案的水動力學(xué)特性進(jìn)行分析獲得如下結(jié)論：

1)由于原標(biāo)體結(jié)構(gòu)的特殊性,其首部和尾部結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生明顯的繞流,形成高壓區(qū),在結(jié)構(gòu)后邊,形成低壓區(qū),符合繞流流場的特性。

2)三種優(yōu)化針對原標(biāo)體明顯繞流區(qū)進(jìn)行流線型過渡,形式各有不同,通過計算發(fā)現(xiàn),方案1全包裹形式,壓力分布最為均勻,無明顯的渦量分布,其他兩種方案均為局部修改型線,壓力分布及渦量分布在局部結(jié)構(gòu)為值出現(xiàn)不均勻性。

3)對比原標(biāo)體與三種優(yōu)化方案的阻力及偏轉(zhuǎn)特性,發(fā)現(xiàn),優(yōu)化方案降低了阻力及偏轉(zhuǎn)力矩等。方案1的阻力降低了84%,偏轉(zhuǎn)力比原標(biāo)體減小47%,偏轉(zhuǎn)力矩減小57%,對比幾種方案,方案1降低最多。

綜合壓力場、渦量場、速度場分析,配合阻力及偏轉(zhuǎn)特性計算結(jié)果，驗證了優(yōu)化方案減阻、改善壓力分布的有效性,以全包裹優(yōu)化的方案1效果最為明顯,為后續(xù)開展水平搭載運輸?shù)淖猿质狡拭嫫鞲?biāo)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。