垂直微结构剖面仪速度控制方法研究.docx

1、2015年5月第34卷第5期MechanicalScienceandTechnologyf()rAemspaccEngineeringDOI:10.13433/ki.l003-B728.2015.0520垂直微结构剖面仪速度控制方法研究刘玉红，宋诗军，兰世泉，王延辉，房萍萍（天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津300072）摘要:依据垂直微结构制面仪工作原理，探讨了垂直微结构割面仪测量过程中对于下降速度的要求，确定了其下降速度范围。分析了澎响垂直微结构制面仪下降速度的因素.提出了垂直割面仪下降速度控制的方法：可通过调节垂直制面仪下降过程中的水阻力来实现对下降速度的控制。对于下降过程

2、中剖面仪所受的水阻力，采用基于动网格技术的流固耦合数值仿真方法，计算了带有弹姓阻尼刷的垂直微结构剖面仪的阻力系数，并通过海试试验验证了计算结果的准确性。关键词：垂宜微结构剖面仪；下降速度；阻力；流固耦合中图分类号:TH113;TH766文献标识码：A文章编号：1003书728（2015）05-0752-06AMethodforControllingSinkingVelocityofVerticalMicrostructureProfilerLiuYuhong*SongShijun*LanShiquanrWangYanhui*FangPingpingKeyLalx)rak>iyMMecha

3、nismTheoryandEquipmentDesignofMinistryofEducation，TianjinUniversity，Tianjin300072,Cliina).().Abstract*Basedonoperatingprinciplesoftheverticalmicrostructureprofiler'VMP，*requirementsforitssinkingvelocitywerediscussedandtherangeofitssinkingvelocitywasdetermined.Afteranalyzingthefactorsthataffectth

4、esinkingvelocity，themethodforcontrollingitwaspresentednamelyadjustingthehydraulicdragduringthepmfiler'sfree-falling.Basedondynamicmesh'thefluid-structurecouplingwascalculatedwiththeANSYS-CFXcodestosolvethehydraulicdragoftheVMPwithelasticdragwhiskers.HiecalculaGonaccuracywasverifiedbyseatests

5、.Keywords*drag'fluid-structurecoupling*fluid-structureinteraction*oceanmicrostnictureturbulence*sinkingvelocityfturbulencekineticenergy'TKE)dissipationrate，turbulencemodels，verticalmicrostructureprofiler海洋微结构湍流运动是产生海洋宏观运动的原动力，对其测量是海洋探洲的首要任务之一。垂直微结构剖面仪是当前最普遍、最有效地获取海洋垂直剖面微尺度流速剪切数据祐方法之一目前，加掌大、美

6、国、日本及欧洲部分国家对垂直微结构剖面仪的研制企较深入并已形成系列产品，如拿大的FLYII、VMP系列，美国的HRP系列，欧洲的MSS收稿日期：2013-04-03基金项目：国家自然科学瑟金项目（511（）5268）与国家863计划项目（2010AA09Z102）资助系列，日本的TurboMAP等叫。天津大学于2004年开始垂直微结构剖面仪的研制$,历经原理样机、试验样机，于2011年研制成功我国第一台垂直微结构剖面仪工程样机W。垂直微结构剖面仪（以下简称垂直剖面仪）工作过程为：在指定观洌站点，垂直剖面仪以某一速度匀速自由下落，在匀速下落过程中通过搭栽于其前端的剪切流传感器获取不同深度剖面内海

7、洋微结构流速剪切数据，进而得到海洋微结构湍流的动能耗散率Xd；到达指定深度后，通过系于其尾端的线缆进行回收。因此，为获得所需剖面的湍流数据，对垂垂直剖面仪下降速度的影响，并针对细长体型的垂直剖面仪,采用流固耦合数值分析方法，研究了具有大弹性的中性尼龙制品阻尼刷的阻力特性O垂直剖面仪下降速度垂直剖面仪在下降过程中，沿轴线方向受重力、浮力以及海水阻力作用，如图J所示,1.图垂直微结构剖面仪工作原理示意图b)当垂直剖面仪完全进入水中后，重力与浮力为一定值，水阻力随下降速度的增加而增大（此阶段为非稳态运行阶段）在下降速度方向，由功能原理可知，下降速度与所受阻力的关系可表示为dy'（2）（1）式

8、中：M为垂直剖面仪质量;分别为垂直剖面仪的重力与浮力;为垂直前面'仪受到的水阻力,在非稳态运动阶段,“其为一变量当三力平衡时，垂直剖面仪便达到稳定运行阶段，以特定的速度匀速下降。在下降过程中，通过搭载于其前端的剪切流传感器测量海水不同深度剖面内微结构湍流的剪切流速，即图川）中的水平速度分量。通过数据处理,可获得被洌海域的微结构湍流动能耗散率，w流涡耗散率的限制.剪切流传感器的共振频率决定了垂直剖面仪下降速度的上限剪切流传感器周围环境的湍流脉动频率/与垂直剖面仪下降速度-的关系为同f=Vk（3）式中3为在剪切流传感器探针空间分辨率,范围内的波数.与/的关系为otvLjyA-=l则垂直剖面

9、仪的下降速度可表示为V=f>Lv（5）为避免剪切流传感器产生共振而造成测量值出现误差，使用时,垂直剖面仪的下降速度必须使微结构湍流脉动频率低于剪切流传感器的共振频率。若剪切流传感器使用时的最大频率为200Hz（该频率应小于传感器的共振频率），空间分辨率为5mm，则垂直剖面仪在水域中的最大下降速度应不曲过1m/s。湍流涡旋耗散率决定了垂直剖面仪的最小下降速度。湍流有各种尺Kolmogorov微尺度匕由湍流动能耗散率£和海水运动粘度r来确定,即".（6）在这个尺度以下的运动就是分子运动。湍流耗散过程是湍流能量从大涡向小涡的传递过程，一直到Kolmogorov微尺度，湍流的

10、能量才开始通过分子运动转化为热能湍流涡耗散的时间尺度为5"2,在这个耗散周期内，剪切流传感器必须穿越耗散范围内最大尺度的涡旋,=70小因而垂直剖面仪的下降速度应满足0*"A”土父=70°P，/4（7）外海中，式（7）右侧的值一般小于o.o7m/s。考虑到，如果垂直剖面仪下降速度太小，则竖直方向的速度波动会引起较大的测量误差；如果下降速度较大，则能减小竖直方向速度波动对垂直剖面仪测量的影响村，因此垂直剖面仪的下降速度一般大于0.4m/so2垂直剖面仪下降速度影响因素垂直剖面仪下降速度主要通过改变垂直剖面仪在下降过程中的受力来进行控制，通常，通过两种方法来进行改变。一

11、是垂直剖面仪尾部通常设计有浮力材料，如图I所示，通过增加或减少浮力材料,改变垂直剖面仪在水中负浮力的大小，该负浮力的过程中的阻力，以此来控制垂直剖面仪的下降速度及到达稳定下降速度时的深度除此之外，垂直剖面仪尾部安装阻尼刷，还可以增加垂直剖面仪下降的稳定性不同结构类型的垂直剖面仪，采用的阻尼刷形式也各有不同，分为软质阻尼刷和弹性阻尼刷或阻尼板O2.1软质阻尼刷软质阻尼刷为柔软的细绳状，不运动时呈自然下垂状态在垂直剖面仪下降过程中可以随流摆动，但产生的阻力有限，主要用于打碎垂直剖面仪尾迹中的大涡流，使尾迹中只包含高频的小涡，以此来避免这些大漩涡引起仪器的振动并污染所测剪切信号，增加垂直剖面仪下降时

12、的稳定性8。对于负浮力较小、尾部较粗的垂直剖面仪多采用此类阻尼刷，如MSS90"，FLY"系列垂直剖面仪（见图2）由于此芟垂直剖面仪负浮力较小、并且尾部较而，因而尾部可提供较大阻力，仅靠调节浮力块的数量足以控制垂直剖面仪的速度及到达稳定下降速度时的深度,a）ILY削福仪a）MSS90制血仪图2采用软质阻尼刷的垂直剖面仪2.2弹性阻尼刷弹性阻尼刷一般为中性尼龙材料，刷丝具有较大的弹性，自然状态下，刷丝与剖面仪轴线垂直在下降过程中，刷丝会在水流方向发生弹性弯曲，能够提供一定的水阻力。除此之外，此类阻尼刷也能扰乱垂直剖面仪的尾涡，并提供一定的扶正力矩，增加垂直剖面仪下降时的稳定性

13、.对于负浮力较大、结构为细长圆柱形的垂直剖面仪多采用此类阻尼刷，如天津大学研制的垂直剖面仪R（见图1）VMP系列W及TurboMAP系列。垂直剖面仪，如图3所示。由于结构本身在水中的负浮力较大，加之细长体在水中沿轴向运动时产生的阻力较小，仅靠浮力材料不足以满足下降速度的控制要求，或者由于结构中没有浮力材料，此时，需要在垂直剖面仪尾部增加能提供较大阻尼力的弹性阻尼刷，来满足对垂直图3采用弹性阻尼刷的垂直剖面仪所选研究对象为天津大学研制的垂直微结构剖面仪（见图4）该剖面仪外形为细长体结构，且负浮力较大,下降过程中产生的阻力较小，因此，需采用能产生较大阻力的弹性阻尼刷以控制下降速度,保证下降过程的稳

14、定性，图4天津大学研制的垂直微堵构剖面仪2.3硬质阻尼板硬质阻尼板为具有一定厚度、可提供较大浮力的板状结构,在下降过程中不会发生变形，如图5所示的天津大学的第一代垂直剖面仪。此类结构的阻尼装置多采用浮力材料制成，在提供浮力的同时，也提供较大的阻力，以达到控制垂直剖面仪下降速度的目的。但在下降过程中，由于阻尼板尾部流场会产生较为强烈的涡脱，容易引起剖面仪产生较为强烈的振动，影响测量精度。图5采用阻尼板的垂直剖面仪3垂直剖面仪下降速度控制方法3.1速度控制方法垂直剖面仪下降过程中受重力、浮力以及阻力共同作用，当三力平衡时,剖面仪便以某一特定速度匀波KR冬由=钮垣生U希吉虫ISUOWlTK冬演宙降速

15、度的控制理论上可通过调节剖面仪下过程中的水阻力来实现，工程上即通过调整浮力材料的多少及弹性阻尼刷的结构来实现、具体控制方法为：）在设计过程中，先确定浮力材料的数目，得到剖面仪在空气中以及水中的质量，计算出剖面仪在水中时的负浮力；2）根据所选长度阻尼刷的阻力系数及剖面仪本体也力系数，计算出阻尼刷所能提供的阻力及剖面仪本体下降时的阻力；3）由步骤（1）和板）所得力的差，确定剖面仪所需增加的负栽质量，通过配重达到预期的下降速度，若通过配重不能达到时，可以改变毛刷长度或浮力材料的数目，重复上述步骤,直至达到要求。因此，准确计算垂直剖面仪下降时的水阻力是快速、准确控制垂直剖面仪下降速度的关键但由于剖面仪

16、在水中的阻力不易确定，实际中通常先根据经验加工出具有足够长度的阻尼刷，利用水槽试验来验证下降速度是否合适，再根据试验结果剪短阻尼刷长度或另外加工一个增长刷丝的阻尼刷这种方法耗时费力，还增加成本.为简化垂直剖面仪设计进程，节约成本，基于Ansyso&bench软件平台，采用Ansvs-CFX流固耦合算法*，计算垂直剖面仪在下扇程中的阻力3.2垂直剖面仪水阻力计算3.2.1计算模型计算用物理原型为天津大学研制的第三代深水垂直剖面仪，如图1所示。计算模型分为两部分：一部分为弹性阻尼刷，另一部分为垂直剖面仪本体弹性阻尼刷由中性、吸水率低、回弹性好的尼龙材料制成，其弹性模量为i.3GPa，密度为

17、1040虹伸泊松比为035。阻尼刷分为刷丝和刷盘两蜀根刷丝为二束，32束为-层，共三层交错排列刷丝的一端固定客刷盘上，刷盘与垂直剖面仪尾部相连，如图6所示。由于阻尼刷的刷丝排布具有周期性，为简化计算，选取阻尼刷的1/32建模，同时将一簇毛刷简化为一根，几何模型如图7所示。图6弹性阻尼刷实物图7阻尼刷阻力计算几何模型到上边界的距离为.3倍毛刷的长度，即=1.3匕侦为阻尼刷刷丝长再），毛刷距速度入口的距离产1.4匕，距出口的距离=流体区域与阻尼鬲根部相连的面设为固壁:入口设为速度入口，出口设为压力出口，其余面设为对称边界,阻尼刷的外表面设为流固耦合交界面一对称濒壁血十图8阻尼刷计算水域模型流体区域

18、采用四面体进行网格划分，为保证计算精度，靠近阻尼刷壁面的网格进行了加密（最大面网格设为1mm，增长率设为1.1）结构区域网格划分时,毛刷表面网格也设为1mm，以保证在流固交界面上能更好地进行位移与力的传递。采用双向流固耦合法对阻尼刷下降过程中受到的阻力及变形进行计算。在流固耦合的交界面上,由流体的压力可计算出结构的受力，从而由结构的控制方程可求出结构的位移和速度等物理量；根据物理量的守恒原则，由结构的位移与速度，又可求出交界面处流体的速度，进而由流体的控制方程求出流体的流动情况，也可求出新的运动情况下结构的受力，由此往复进行便可完成流固耦合的计算，流场计算采用k*湍流模型，使用SIMPLE算法

19、对压力速度耦合方程组进行求解，选用瞬态模拟求解,瞬态求解模式为二阶向后欧拉模式，时间步取垂直剖面仪本体（包括浮力材料及压力舱）阻力计算时，选择六面体水域，如图9所示，在宽度方向上，取=驴=2f）'D为剖面仪本体最大直径,削口为压力出口，其余面设为对称边界流场网格划分方式及计算方法与阻尼刷的流场网格划分方式及计算方法相似，此不赘述，分别计算阻尼刷及垂直剖面仪本体在特定下降速度下的阻力值，两者相加即可得到剖面仪整体所受的水阻力。为求得阻力系数，下降速度取值为：0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85m/so由于不同刷丝长度的阻尼刷的阻力系数有所不同，因此,选取刷

20、丝长度分别为160.170J80J90.200mm的阻尼刷进行计算，以求得具有特定刷丝长度的阻尼刷的阻力系数，进而求出其在特定下降速度下的阻力.3.2.2验证试验为了验证数值计算结果的正确性，在青岛胶州湾进行了海试试验试验时，通过在剖面仪外部增加配重钢箍的数量，来改变剖面仪在水中的净浮力，从而增大下降速度一为尽可能减小配重圆环对剖面仪周围流场的影响，取圆环的内径与剖面仪壳体的小径相等，圆环外径与壳体前端大径相等，并且圆环尽量靠前安装，如图10所示由于垂直剖面仪匀速下降时，其受力平衡，此时受到的力有：水的阻力、重力、浮力故剖面仪所受水阻力的大小即为净潭力的大小O质景块（钢簧）图0剖面仪配重加载示

21、意图3.2.3结果分析图H所示为阻尼刷刷丝长度为80mm情况下，不同下降速度时垂直剖面仪所受水阻力的计算值及试验值,由图1知，垂直剖面仪本体产生的水阻力较弹性阻尼刷产生的水阻力小许多这说明，对于细长体型的垂直剖面仪，必须安装足够大的阻尼刷来控制其下降速度。图垂直剖面仪水阻力计算值与试验值论仿真计算值还是试验值，剖面仪所受水阻力随下降速度的变化均具有相同的趋势，即阻力随速度的增加而增大。为比较试验值与仿真计算值的误差,将仿真计算及试验所得数据代入阻力系数计算公式，阻力系数公式为W（8）yp俨4式中：4为垂直剖面仪特&面积，此处取为垂直剖面仪本体的最大截面积;p为海水密度，经计算，得到仿真

22、计算获得的阻力系数为4.006,试验获得的阻力系数为4.268,计算误差为6.14%。仿真计算数据较试验数据小，一是由于在仿真建模时，将阻尼刷及垂直剖面仪本体模型进行了简化，同时忽略了传感器等微小部件;二是在试验时将钢箍放在剖面仪本体外面，这样会增大剖面仪的水阻力。以上种种原因说明仿真数据比试验数据小是合理的因此，仿真计算的结果可以满足计算精度的要求，在以后的设计过程中可以使用此方法计算剖面仪的阻力系数。表1所列为不同刷丝长度的阻尼刷的阻力系数表不同长度阻尼刷的阻力系数刷丝长度/mm160170180190200阻力系数2.7482.9033.0533.2833.654在设计过程中，先确定浮力

23、材料的数目，得到垂直剖面仪在空气中以及水中的质量，然后根据所选长度毛刷的阻力系数，计算在设计速度下剖面仪整体所受水阻力，以此来确定垂直剖面仪所需增加的负载质量，通过配重达到预期的下降速度若通过配重不能达到时，可通过改变阻尼刷长度或浮力材料数目，重复上述步骤，直至达到要求O4结论1）垂直剖面仪最小下降速度的上限由剪切流传感器的共振频率决定，而下限则由海洋湍流涡耗散率决定通常情况下，垂直剖面仪的下降速度范O围为0.41m/so2）垂直剖面仪的下降速度可通过调节浮力材料及阻尼刷结构来实现阻尼刷除用于调节剖面仪下降速度外,还有扰乱尾涡、提高垂直剖面仪下降稳速度的关键性因素采用流固耦合数值仿真方法，能较

24、准确地计算弹性阻尼刷及垂直剖面仪的阻力，可减少水槽试验,节约设计时间及成本O参考文献UPolzinK1/MontgomeryET.MirrostnictureprofilingwiththehighresolutionprofilerW/Proceedings，MicrostructureSensorWorkshop，1996,23-25*109-4i5EPrandkeH.MicrostructureprdilertostudymixingandhirbulenttransportprocessesC】/Oceans*98ConferenceProceedings*IEEE，1998,1

25、9;179-183日SchmittRW，TooleJM*KoehlerRL.'HiedevelqmientofaFine-tuidmicrostructureprofiler.JournalofAtniosplierieandOceanTechnology'1988,5'653-656UWolkF，YamazakiH'SeurontL'etal.Anewfree-fallprofilerformeasuringbiophysicalniicrostnictuivG】.JournalofAtnios|）li<*ri<-andOceanTechn

26、ology'2002,19（5）：780793FLueckBG*WolkF，YamazakiH.Oceanicvelocityniirrostmctummeasurementsinthe20thcentury5】.JournalofOceanography，2002,58,153-174PMournJN，GreggMCrLienRCretal.Comparisenofturbulencekinetk-enwgydissipationrateestimatesfromtwooceanniicrostnictureprofilersJ】.JournalofAtmosphericandOce

27、anTechnology，】995,12*346-366日张大涛，王延辉，王树新湍流剖面仪系统动力学分析与实验研究房.海洋技术，2006,25（】）:38-12ZliangDT*WangYHrWangSX.Dynamicsanalysisaidex|MTinnutresearchforshearprtrfiler.OceanTechnology，2006,25（1）,38-42inChinese日王子龙，王延辉，陈宝阔，等海洋微结构湍流垂直剖面仪设计与试验早天津大学学报，2012,45（3）：279Q84WiuigZL'WangYH*ChenBK，elal.Designandappli

28、cationofoceanmicrostructiireturbulenceverticalprofilerP.JournalofTianjinUniversity，2012,45（3）"279-284（血Chinese）日兰世泉，刘玉红，王延辉，等垂直微结构湍流制面仪振动源及减振方法分析0.振动与冲击，2012,3】（18）：5-9§7】LanSQ，LiuYHrWangYH*al.Vibrationsourceanalysisandvibrationreductionforaverthwlmicrostruchiivturbulence|>rofiler早.Jour

29、nalofVibrationandShock，2012'31（18）5-9，inChinese）MacoimtP*LueckR.Modelingthespatialresponseoftheairfoilshearprobeusingdifferentsizedprolxs早.JournalofAtmosphericundOceanTechnology'2004,2】（2）：284-297LevineER，LueckRG.TurbulencemeasurementfromanautoiM）inousunderwatervehicleJ】.JournalofAtniosjrfiericandOceanTechnologyr1999,16,1533-）544PraixlkeHrSlipsA.Testnrasiirenicntswithanopendional.niicrostructunHurbiilenc