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數值仿真,探索海洋漂流浮標設計新思路

2019-09-04 10:06:11 來源: 中國海洋報 作者: 劉川
摘要:該項目對表層漂流浮標隨流運動特性進行了研究,明晰了水帆、風場條件、流場(海水流體環境)條件等影響浮標隨流性的規律。

  原標題:數值仿真,探索漂流浮標設計新思路

  近日,國家海洋技術中心科技創新基金項目“基于數值方法的水帆面積對漂流浮標隨流性影響研究”通過驗收。該項目負責人、國家海洋技術中心工程師彭家忠表示,海洋表層漂流浮標是布放于海面,自動連續觀測氣溫、風速、風向、水溫、波浪、海流等水文氣象數據的浮標,能為海洋防災減災提供支撐服務。該項目對表層漂流浮標隨流運動特性進行了研究,明晰了水帆、風場條件、流場(海水流體環境)條件等影響浮標隨流性的規律。

  隨流性技術研究迫在眉睫

  在我國,表層漂流浮標是發展歷史較長、使用廣泛的海洋儀器。與其他觀測儀器相比,表層漂流浮標有三大優勢:一是能跟蹤海面下幾十米的海流運動,這是衛星遙感技術難以實現的;二是能進行長時間、大范圍觀測,而海流計、聲學多普勒流速剖面儀等觀測儀器多用于定點精細化觀測;三是其觀測的海流速度可以揭示海洋環境中物質運輸和能量運輸過程,對于研究暖流、大洋環流、黑潮延伸體、中尺度渦等海洋科學問題具有重要支撐作用。

  “通過表層漂流浮標三大優勢可以看出,對海流的跟蹤觀測是該浮標非常重要的一個方面。”彭家忠說。

  據彭家忠介紹,表層漂流浮標的結構比較復雜,水帆是其重要組成部分,是浮標下面起到穩定運動作用的裝置,它能夠提升浮標跟蹤海流的準確性。但是在長期的應用實踐中,人們對水帆影響浮標運動狀態的規律了解較少,造成表層漂流浮標隨流性技術不完善,浮標質量參差不齊,開展相關研究迫在眉睫。

  為此,2016年12月,“基于數值方法的水帆面積對漂流浮標隨流性影響研究”項目獲批立項,彭家忠和團隊開始對表層漂流浮標隨流運動特性進行研究。“我們的研究選取的是SVP型表層漂流浮標。SVP型表層漂流浮標的主要功能是跟蹤觀測,而隨流性則是其觀測是否可靠最直觀的評價指標。”彭家忠說。

  彭家忠進一步解釋說,SVP是大型國際合作項目世界海洋環流試驗中的一個計劃,該項目中大量采用了一種表層漂流浮標用于觀測海流,后來這類浮標被稱為SVP型浮標。

  應用數值方法研究鮮有先例

  在廣泛查詢閱讀國內外關于表層漂流浮標研究及應用的文獻之后,團隊決定采用數值仿真方法對漂流浮標的隨流性進行研究。但是在目前已公開發表的文獻中,應用數值仿真方法對表層漂流浮標隨流性進行研究鮮有先例。

  研究一開始,團隊就遇到一個棘手難題,如何針對表層漂流浮標數值建模及計算?

  “這主要是由于表層漂流浮標為多體結構,浮標體與水帆之間采用柔性連接,浮標的局部尺寸(如系纜直徑)與整體尺寸(如水帆)相差巨大,仿真計算涉及流固耦合等,導致對表層漂流浮標的數值建模及計算難度太大了。”彭家忠坦言。

  在項目開始后的4個月時間內,團隊成員不斷嘗試,調整建模參數、優化網格,最終獲得了良好可信的計算數據。彭家忠說:“在前期問題分析階段,我們認識到以現有的計算資源,采用通用計算流體力學軟件無法完成計算。經過調研后,大家決定采用一款海洋工程專用的水動力學計算軟件。該軟件可以方便地解決流固耦合問題,降低計算的難度。”

  通過對配置不同水帆的表層漂流浮標模型進行大量算例的數值仿真,團隊研究出浮標在多種工況條件下的運動特性,從中揭示出水帆、海面風速、海面流速、觀測層流速等多個因素對浮標隨流性的影響機理,提出了SVP型表層漂流浮標的適用范圍,并指出了多參數表層漂流浮標在跟蹤海流方面的局限性。

  值得一提的是,項目探索出的數值仿真方法,可以以極低的經濟成本獲得豐富的浮標運動特性數據,應用價值非常高。

  海上試驗檢驗仿真結論

  仿真計算獲得的結論跟真實的情況是否一致?海上試驗是最好的檢驗。

  2018年6月,在青島附近海域,團隊專門組織開展了海上試驗。他們制作了3個配置不同大小水帆的浮標試驗模型,將其布放到真實海洋環境中進行測試,通過位于天津的地面接收站獲取浮標觀測數據。試驗現場利用船載聲學多普勒流速剖面儀尾隨浮標獲取流速數據參考值,利用超聲風速風向儀獲取試驗場風速數據。

  海試當天的情形彭家忠記憶猶新,試驗當天我們天亮前就出發,在行駛途中,準備好要布放的浮標及其他設備。經過一個多小時的航行,試驗船到達試驗海域。船停后,我們迅速安裝連接試驗設備,準備將浮標布放入海。

  在試驗過程中,配置大號水帆的浮標在布放時出現了一個小插曲,由于水帆尺寸過大,按正常布放流程操作后,水帆在海面堆疊,導致帆布之間存在大量空隙,海水不能順利浸透而無法下沉。在試驗人員人工干預后,該浮標才布放成功。“當天的試驗一直持續到傍晚才結束。”彭家忠說。

  海上試驗獲得了7小時的有效數據,經過后續分析處理,試驗結果與仿真計算結果一致性良好,從而驗證了仿真計算的準確性。

  研究結論獲得專家好評

  2019年8月,項目通過驗收,其研究結論獲得了專家的好評。專家認為,項目研究結論中關于水帆面積、海面風速、海表面流速、觀測層流速等對漂流浮標運動特性的影響規律,豐富了表層漂流浮標技術研究的理論成果,為表層漂流浮標的設計、評價及選型應用提供了依據;研究結論指出了表層漂流浮標的適用范圍,可以幫助科研人員進行數據質量控制;項目對漂流浮標的設計理論公式進行了分析修改,拓展了其適用范圍,可以指導設計應用于較惡劣海況下的漂流浮標,以及指導多參數表層漂流浮標的設計。

  項目通過驗收后,團隊仍然有許多工作要繼續開展。彭家忠說,目前,我們在數值仿真過程中考慮了風、表面海流、觀測層海流等環境因素對表層漂流浮標運動的影響,但未考慮波浪對浮標運動的影響,在下一步研究計劃中要把波浪作為仿真計算的一個邊界條件,以保證仿真過程更接近真實工作環境。本項目僅以球形浮標體的SVP浮標作為仿真計算及試驗對象,且研究所涉及的水帆只有最常見的薄壁桶狀水帆,因此本項目研究結論對其他結構形式的表層漂流浮標設計指導意義稍有欠缺。在下一步研究中,我們將對多種結構形式的浮標進行精細化研究,從而推動表層漂流浮標系列化發展。


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