新型表層漂流浮標體設計分析

王 鵬，胡筱敏，熊學軍, 3

(1. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061; 2. 廈門大學，福建 廈門 361005; 3. 青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室，山東 青島 266061)

新型表層漂流浮標體設計分析

王 鵬1, 2，胡筱敏1，熊學軍1, 3

(1. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061; 2. 廈門大學，福建 廈門 361005; 3. 青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室，山東 青島 266061)

表層漂流浮標在應用于海洋調查研究時，浮標體外形對浮標通訊穩定性及數據回收等會產生一系列影響，也直接制約浮標使用壽命。為此，考慮減少風阻和水阻，減小浮標體對水帆運動的影響，提出了一種新型的適用于近遠海海洋觀測的表層漂流浮標體葫蘆形外形設計方案。結合流體力學理論分析，運用SolidWorks軟件分別對葫蘆形浮標體和常用的圓柱形浮標體建模，并利用Workbench軟件CFX流體分析模塊開展了流體分析和比較，結果表明葫蘆形浮標體所受壓力更均勻，其水下部分壓力值較圓柱浮標體減小約28%，證明葫蘆形外形浮標體更具可靠性。

表層漂流浮標；浮標體；葫蘆形；流體分析；海流

表層漂流浮標是近30多年以來根據海洋調查研究的需要而發展起來的一種小型海洋觀測浮標，布放后在海洋中隨表層海水流動，通過衛星通訊網絡定位并把位置信息傳送給用戶，從而獲取其漂流路徑上表層海流的數據。這種浮標具有觀測方式直觀有效、成本低廉、布放方便、便于搭載其他傳感器等優勢，廣泛應用于全球大洋及近海環流調查研究、海洋工程應用等方面[1-2]。僅20世紀80年代開始實施的熱帶海洋和全球大氣計劃(TOGA)及世界大洋環實驗(WOCE)投放的表層漂流浮標軌跡就幾乎遍布全球海洋，在一些強流區尤為密集。我國也利用表層漂流浮標數據開展了大量的調查研究工作[3-5]，推進了對所研究海域流場及其分布特征、中尺度現象等的認識深度和水平。

表層漂流浮標主要由浮標體、水帆、定深系纜和定位通訊模塊四部分構成，圖1給出了常用的兩種表層漂流浮標的結構形式，浮標體通常為圓柱形或圓球形。浮標體下部通過系纜連接水帆，實現隨水帆同步漂移，定位通訊模塊封裝在浮標體內部，定時向衛星發送定位數據，用戶對獲取的GPS定位數據進行處理可得到這種拉格朗日測流方式所測的表層海流速度和軌跡資料[6-7]。

圖1 兩種常見的表層漂流浮標Fig. 1 Two kinds of common surface drifting buoys

表層漂流浮標實際測量的是水帆隨海流的拉格朗日運動，因此應最大化減少水帆以外各部分對水帆運動的影響[8]。現有技術中，表層漂流浮標體普遍采用圓柱形或球形，體積偏大，容易受外力干擾，不利于強風條件下觀測準確性的控制和弱風條件下拖曳性的減控以及近水面通訊的有效實現，對拉格朗日運動觀測有較大影響；此外，浮標需要進行衛星定位和通訊，現有技術中為了使定位和通訊穩定可靠，通常把浮標體做得較大，使浮標體露出海面的部分較高、衛星通訊天線少受海浪等的干擾。但這種設計既影響表層漂流浮標的測量精度，又使得海上目標明顯，容易被人為誤撈、破壞。常用的浮標體外形一般均為圓柱形和圓球形，如專利號為201410226209.X的可調節浮力的漂流浮標，標體為圓柱腔體[9](圖2)；專利號為201320872101.9的漂流浮標，標體為圓球體[10](圖3)。雖然這兩種浮標體自漂流浮標問世以來一直被廣泛應用，但在海流觀測時浮標體會受海水和風的影響而產生不必要的阻力，因此相關研究人員一直在探求更理想的浮標體模型。

圖2 圓柱形浮標體Fig. 2 Cylindrical buoy body

圖3 球形浮標體Fig. 3 Round buoy body

基于此，本文提出了一種新的浮標體設計方案——葫蘆形浮標體設計方案，并運用SolidWorks建模開展流體分析，定量化地給出了浮標體的受力及周圍流體的運動情況，與圓柱形浮標體流體分析結果進行了比較分析，論證了這種浮標體外形的可行性和合理性。

1 葫蘆形浮標體外形設計方案

圖4 表層漂流浮標體Fig. 4 Buoy body of full filled surface drifting buoy

表層漂流浮標體的理想狀態為浸在水下部分不受水流的干擾、浮在水上部分不受風的干擾。想要達到干擾為零的效果是不可能的，希望盡可能減小其影響，由此提出了一種體積小巧、測量準確、定位和通訊信號穩定的新型表層漂流浮標體設計方案，如圖4所示。新型表層漂流浮標體為上小下大的葫蘆形，包括半球形底部和半球形頂部上端的凸起部分，二者之間平滑過渡。凸起部分內部頂端設置有天線，半球形底部內部設置有定位通訊模塊、電池組和開關，衛星通訊天線設置于凸出部內，在不增大浮球體積的情況下使天線遠離海面，可增強信號強度，降低電池消耗，半球形底部和半球形頂部大小由電池組和天線尺寸決定。葫蘆形浮標體能減少風阻和水阻，使得浮標體對水帆拉格朗日運動的影響減小到最低，以提高測量準確度。

這種葫蘆形浮標體體積遠遠小于同等高度(直徑)的球形浮標體，也顯著小于同等高度、同等最大外徑的圓柱形浮標體，在漂流觀測過程中可有效降低其對水帆運動的影響；且其上部體積更小，出露海面不明顯，較傳統浮標體更能起到自我防護的作用。

2 浮標體流體對比分析

2.1Solidworks建模

為進一步定量化分析葫蘆形浮標體較之傳統浮標體的優越性，擬與現有典型圓柱形和圓球形浮標體進行流體對比分析。經計算，球形浮標體要達到與葫蘆形浮標體同等高度，其體積須達到葫蘆形浮標體約2倍大，流體分析結果差異非常顯著，所以在此不對球形浮標體做分析，僅對體積差別較小的圓柱形浮標體進行流體對比分析，從而明確葫蘆形浮標體設計的可行性、合理性和優越性。

SolidWorks軟件是基于Windows系統的三維機械設計軟件，能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產品質量，且操作簡單方便、易學易用[11]，本文運用該軟件建立模型。

葫蘆形浮標體1/3浸在水中、2/3浮在水面上，對比分析應分水下部分和水上部分分別進行。在模型創建時充分考慮了對比性問題，并根據電池包、定位傳輸通訊模塊和天線等的尺寸大小，最終建立了兩種浮標體水上部分和水下部分狀態下的四種模型，同時又運用SolidWorks質量評估指令確保葫蘆形浮標體和傳統圓柱形浮標體的體積相同，兩種形狀浮標體水下部分體積均約為3 665 cm3，水上部分體積均約為11 767 cm3。兩種浮標體的4種分析模型分別如圖5、6所示。

圖5 葫蘆形浮標體分析模型Fig. 5 Analysis model of gourd buoy body

圖6 圓柱形浮標體分析模型Fig. 6 Analysis model of cylindrical buoy body

流體分析時，建立的長方體流域模型水下部分尺寸為800 mm×800 mm×350 mm(長×寬×高)，水上部分尺寸為800 mm×800 mm×550 mm(長×寬×高)。

2.2控制方程

1) 連續性方程

任何流動過程都必須滿足連續性方程，連續性方程也就是質量守恒方程，根據質量守恒定律可知：單位時間內流體微元中質量的增加等同于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量。按照這一定律，可得到連續性方程：

2) 動量方程

利用動量守恒定律可以得到不可壓縮流體的 Navie-Stokes(簡稱 N-S)方程，通過推導得到RANS方程和雷諾時均流體連續方程的表達式：

3) 湍流方程

采用的湍流模型為k-ε方程，在標準k-ε模型中，k和ε是兩個基本未知量，與之相對應的運輸方程：

2.3ICEM網格劃分

計算區域的離散化是流體分析前需要進行的必不可少的工作，通俗地講就是網格劃分，而數值模擬結果的好壞與網格劃分效果是息息相關的[12]。用ICEM完成網格劃分。ICEM CFD(the integrated computer engineering and manufacturing code for computational fluid dynamics)是一種專業的CAE前處理軟件[13]。由于四面體網格不能很好地描述圓弧的邊緣特征，為盡量少用四面體網格描述圓弧，在生成四面體網格后，再使用三棱柱網格細化圓弧邊緣。各個模型的網格劃分結果如圖7～10所示。網格生成后，輸出網格文件為cfx5，用于CFX流體分析。

圖7 葫蘆形浮標體水上部分的網格劃分Fig. 7 Meshing of the above-water part of gourd-shaped buoy body

圖8 圓柱形浮標體水上部分的網格劃分 Fig. 8 Meshing of the above-water part of cylindrical buoy body

圖9 葫蘆形浮標體水下部分的網格劃分Fig. 9 Meshing of the underwater part of gourd-shaped buoy body

圖10 圓柱形浮標體水下部分的網格劃分Fig. 10 Meshing of the underwater part of cylindrical buoy body

2.4CFX流體分析前置處理

在分析前置處理時，假定浮標體是固定不動、流體是相對運動的。本文研究目的是探討葫蘆形表層漂流浮標體研制的可行性，而影響浮標測流準確性的關鍵因素是海水的阻力和空氣的阻力。由于現有文獻缺少可參考的表層漂流浮標體風阻力和水阻力流體分析的參數，所以在進行浮標體流體分析時，為了更好地論證葫蘆形浮標體的可行性，影響浮標體水下部分的海流速度設置為20 cm/s、50 cm/s、100 cm/s，對應著常規海洋觀測中較小、中等及較大的海流流速；影響浮標體水上部分的風速設置為2.5 m/s、6.8 m/s、12.4 m/s、19.0 m/s，對應著2級、4級、6級、8級風的中間風速值。為提高運算速度，精度殘差值統一設置為0.000 1。

2.5CFX流體分析

對浮標體而言，海水的阻力和空氣的阻力效果體現在浮標體所受壓力的變化上，因此針對最大壓力分析來論述葫蘆形浮標體的可靠性。

當海流速度設置為20 cm/s 時，分析結果如圖11、12所示。葫蘆形浮標體水下部分所受最大壓力為21.48 Pa，小于圓柱形浮標體水下部分所受最大壓力34.47 Pa，減小幅度達28.1%。

圖11 流速設為20 cm/s時葫蘆形浮標體水下部分的壓力分析圖Fig. 11 Pressure analysis of the underwater part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 20 cm/s

圖12 流速設為20 cm/s時圓柱形浮標體水下部分的壓力分析圖Fig. 12 Pressure analysis of the underwater part of cylindrical buoy body when the flow rate is 20 cm/s

當海流速度設置為50 cm/s 時，分析結果如圖13、14所示。葫蘆形浮標體水下部分所受最大壓力為155.2 Pa，小于圓柱形浮標體水下部分所受最大壓力217.6 Pa，減小幅度達28.7%。

圖13 流速設為50 cm/s時葫蘆形浮標體水下部分的壓力分析圖Fig. 13 Pressure analysis of the underwater part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 50 cm/s

圖14 流速設為50 cm/s時圓柱形浮標體水下部分的壓力分析圖Fig. 14 Pressure analysis of the underwater part of cylindrical buoy body when the flow rate is 50 cm/s

當海流速度設置為100 cm/s 時，分析結果如圖15、16所示。葫蘆形浮標體水下部分所受最大壓力為621.6 Pa，小于圓柱形浮標體水下部分所受最大壓力875.5 Pa，減小幅度達28.0%。

圖15 流速設為100 cm/s時葫蘆形浮標體水下部分的壓力分析圖Fig. 15 Pressure analysis of the underwater part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 100 cm/s

圖16 流速設為100 cm/s時圓柱形浮標體水下部分的壓力分析圖Fig. 16 Pressure analysis of the underwater part of cylindrical buoy body when the flow rate is 100 cm/s

當風速設置為2.5 m/s 時，分析結果如圖17、18所示。葫蘆形浮標體水上部分所受最大壓力為11.4 Pa，小于圓柱形浮標體水上部分所受最大壓力12 Pa，減小幅度達5.0%。

圖17 風速設為2.5 m/s葫蘆形浮標體水上部分的壓力分析圖Fig. 17 Pressure analysis of the above-water part of gourd-shaped buoy body when the wind speed is 2.5 cm/s

圖18 風速設為2.5 m/s圓柱形浮標體水上部分的壓力分析圖Fig. 18 Pressure analysis of the above-water part of cylindrical buoy body when the flow rate is 2.5 m/s

當海流速度設置為6.8 m/s 時，分析結果如圖19、20所示。葫蘆形浮標體水上部分所受最大壓力為86.72 Pa，小于圓柱形浮標體水上部分所受最大壓力91.2 Pa，減小幅度達4.9%。

圖19 風速設為6.8 m/s葫蘆形浮標體水上部分的壓力分析圖Fig. 19 Pressure analysis of the above-water part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 6.8 m/s

圖20 風速設為6.8 m/s圓柱形浮標體水上部分的壓力分析圖Fig. 20 Pressure analysis of the above-water part of cylindrical buoy body when the flow rate is 6.8 m/s

當海流速度設置為12.4 m/s 時，分析結果如圖21、22所示。葫蘆形浮標體水上部分所受最大壓力值為290.6 Pa，小于圓柱形浮標體水上部分所受最大壓力313.1 Pa，減小幅度達7.2%。

圖 21 風速設為12.4 cm/s葫蘆形浮標體水上部分的壓力分析圖Fig. 21 Pressure analysis of the above-water part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 12.4 m/s

圖22 風速設為12.4 m/s圓柱形浮標體水上部分的壓力分析圖Fig. 22 Pressure analysis of the above-water part of cylindrical buoy body when the flow rate is 12.4 m/s

當海流速度設置為19 m/s 時，如圖23、24所示。葫蘆形浮標體水上部分所受最大壓力為684.1 Pa，小于圓柱形浮標體水上部分所受最大壓力737.3 Pa，減小幅度達7.2%。

圖23 風速設為19.0 m/s葫蘆形浮標體水上部分的壓力分析圖Fig. 23 Pressure analysis of the above-water part of gourd-shaped buoy body when the flow rate is 19 m/s

圖24 風速設為19.0 m/s圓柱形浮標體水上部分的壓力分析圖Fig. 24 Pressure analysis of the above-water part of cylindrical buoy body when the flow rate is 19 m/s

比較各種情況下浮標所受壓力分布(圖11～24)，由于圓柱形浮標體在進行流體分析時會產生復雜的繞流現象[14]，由分析圖可以看出葫蘆形浮標體水上部分和水下部分中在壓力分布上較圓柱形更均勻，尤其是水下部分，使得葫蘆形浮標體姿態更穩定，因此葫蘆形浮標體設計更為合理。

主要的流體分析結果如表1所示。

表1 流體分析結果Tab. 1 Results of fluid analysis

流體分析結果表明，從兩種浮標體受不同海流和風的影響程度分析(表1)，幾種海流情況下，葫蘆形浮標體較圓柱形浮標體降低海流影響的比例均約為28%，因此在改善海流影響方面是比較顯著的。幾種風速情況下，葫蘆形浮標體較圓柱形浮標體降低風影響的比例最高只有7.2%，雖有改善，但不是很顯著，這與為提高可比性，設計兩種浮標體體積保持一致，從而使得葫蘆形浮標體中部較圓柱形浮標體明顯要寬是直接相關的，如果取最大外徑相同的葫蘆形和圓柱形浮標體作比較，浮標體水上部分所受的最大壓力值會進一步減小，改善效果會大大提高。

由上述流體分析結果可以得出，設計為葫蘆形的新型表層漂流浮標體顯著優于現有典型的圓柱形和圓球形浮標體，新型葫蘆形表層漂流浮標體可以更好地滿足水體綜合調查布放表層漂流浮標觀測需求。

3 結 語

針對現在表層漂流浮標體設計方面存在的不足，提出了葫蘆形新型表層漂流浮標體的設計方案。通過利用Solidworks軟件建立葫蘆形浮標體和常用的圓柱形浮標體水下部分和水上部分狀態下的四種模型，利用Workbench軟件中的CFX流體分析模塊，分別對在三種不同流速和風速情況下同等體積的葫蘆形浮標體和圓柱形浮標體開展流體分析和比較。得出葫蘆形浮標體相對圓柱形浮標體受到的壓力分布更為均勻；在表層海流觀測中非常受關注的降低海流和風對浮標體的影響方面，葫蘆形浮標體相對于傳統的圓柱浮標體有明顯的改善，水下部分壓力值較圓柱浮標體減小約28%，水上部分較圓柱形浮標減小4.9%～7.2%不等。流體分析結果充分表明，葫蘆形浮標體設計較過去常用的圓柱形及圓形浮標體更具合理性、性能更優越。

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Design and analysis of new surface drifting buoy

WANG Peng1, 2, HU Xiaomin1, XIONG Xuejun1, 3

(1. The First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China; 2. Xiamen University, Xiamen 361005, China; 3. Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, China)

In the application of surface drifting buoy in marine research, the buoy body shape has a series of effects on buoy communication stability and data recovery, directly restricting the buoy life. To reduce the wind resistance and water resistance, and the influence of the buoy on the movement of the drogue, this paper presents a new design scheme of the gourd shape of the surface drifting buoy suitable for near-ocean and ocean observation. Based on the theory of hydrodynamics, the SolidWorks software is used to model the gourd buoy and the commonly used cylindrical buoy, and the CFX fluid analysis module in the Workbench software is used to carry out the comparison and analysis of fluid. The results show that the pressure of the gourd buoy is more uniform, and the pressure value of the underwater part is about 28% lower than that of the cylindrical buoy, indicating that the gourd shape design is more reliable.

surface drifting buoy; buoy body; gourd shape; fluid analysis; ocean current

1005-9865(2017)06-0125-09

P716

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.015

2017-03-24

國家科技重大專項科研任務(2016ZX05057015)；海洋工程裝備科研項目——500米水深油田生產裝備TLP自主研發—內波流預警方案研究及內波流檢測系統研制；國家自然科學基金(41376038)；國家自然科學基金委員會-山東省人民政府聯合資助海洋科學研究中心項目(U1606405)；國家海洋局全球變化與海氣相互作用專項子課題(GASI-03-01-01-02，GASI-IPOVAI-01-05，GASI-02-IND-STSsum)；國家重大科學研究計劃(2012CB955601)；海洋公益性行業科研專項(200905024)；國家自然科學基金青年基金(40406009)；國家重大科學儀器設備開發專項(2012YQ12003908)

王 鵬(1989-)，男，吉林通化人，研究助理，主要從事海洋調查工作。E-mail:xmuwangpeng@xmu.edu.cn

胡筱敏(1974-)，女，湖北廣水人，副研究員，主要從事區域海洋學研究。E-mail:huxm@fio.org.cn