垂直微結構湍流剖面儀振動源及減振方法分析

蘭世泉，劉玉紅，王延輝，劉 進，王子龍

(天津大學 機械工程學院，天津 300072)

海水剪切流速數據是研究海洋湍流運動規律和動能耗散率的重要原始資料［1－2］。有纜自由下落式微結構湍流剖面儀(簡稱垂直剖面儀)是目前獲取海水剪切流速數據最普遍和最有效的測量平臺，國外最早于上世紀50年代便開始了微結構湍流測量的研究，70年代早期，由 Osborn［3－4］于哥倫比亞大學研制成功世界上第一臺垂直微結構湍流剖面儀。隨后加拿大、美國、日本及歐洲其他國家都進行了垂直微結構湍流剖面儀的研制并形成各自的系列，如加拿大的 Camel、EPSONDE、VMP 等系列，美國的 AMP、TOPS、HRP 等系列，日本的TurboMAP系列，歐洲其他國家的PROTAS、MSS等系列［4－8］。國內對微結構湍流剖面儀的研究剛剛起步，僅天津大學完成了海洋微結構湍流剖面儀樣機的研制［9－10］。

垂直剖面儀工作過程中產生的振動會嚴重影響其測量數據的準確度，因此其振動性能是影響其測量精度的最主要因素之一，對其振動源進行分析對于剖面儀優化設計、提高剖面儀測量精度、理解測量信號中的背景噪音具有重要意義。本文介紹了垂直微結構剖面儀的測量原理，在此基礎上，分析、討論了剖面儀振動噪聲的來源以及如何降低振動噪聲對剖面儀測量精度影響的方法。在綜合分析現有減振方法的基礎上，為減小剖面儀振動對剪切流傳感器測量信號的影響，提出了一種全新的傳感器布局方案。

1 垂直剖面儀測量原理

垂直剖面儀的運動方式為自由落體式，通過安裝在其前端的翼型剪切流傳感器測量海水縱剖面的微結構剪切流速，如圖1所示，并在測量結束后通過系于其末端的系纜回收。由于回收階段系纜的拖動將嚴重影響剖面儀的姿態，剖面儀周圍流場中渦的脫落會影響傳感器周圍流場的穩定性，從而導致剪切流傳感器測量數據的失效，因此取剖面儀下降階段測得的數據為有效數據，而回收階段(即上升階段)測得的數據為無效數據。

湍流可分解為水平分量和豎直分量，如圖1所示。當剖面儀在水中豎直下落時，湍流的水平分量u作用于剖面儀前端的翼型剪切流傳感器探針所產生的橫向力Fp為:

圖1 垂直剖面儀及其測量原理Fig.1 The vertical profiler and its measuring principle

式中:ρ為海水密度，A為傳感器探針軸線方向(即Z向)橫截面積，V為探針相對流體的軸向速度，即剖面儀下降速度，u為湍流的水平速度分量。探針受到的橫向力Fp經剪切流傳感器轉換為電壓信號E，其峰值電壓 Ep表示為［11］:控因素;傳感器靈敏度S由傳感器自身特性決定;而電壓信號Ep則直接受剖面儀振動的影響。所以，為提高剖面儀測量精度及有效識別測量信號中的背景噪音，根據海試結果，分析總結了剖面儀各種振動噪聲的來源及降低其對測量精度影響的方法。

2 垂直剖面儀振動源分析

式中:S為剪切流傳感器的靈敏度。式(2)可寫為:

式(3)兩端對時間微分求得水平剪切流速的變化率為:

海洋的湍動能耗散率可表示為:

將式(5)代入式(6)便可求得海洋的湍動能耗散率ε，用其建立數學模型描述海洋內部運動規律及海洋宏觀運動。

由上述垂直剖面儀測量原理可知，影響其測量精度的因素有:剖面儀下降速度V、海水密度ρ、剪切流傳感器靈敏度S、及輸出電壓信號Ep。其中，剖面儀的下降速度V在設計、操作合理的情況下可認為是常數;密度ρ的波動主要由海水的鹽度、溫度等引起，屬于不可

2.1 母船、風浪對剖面儀振動的影響

垂直剖面儀在使用過程中通過母船布放，波浪和風等外力作用于母船必然會引起船體的擺動，這些振動將通過系纜傳至剖面儀，從而對剖面儀測量的有效信號產生干擾［11］。

為了降低母船、風浪對剖面儀測量的干擾，在剖面儀的布放方面目前多采用一種標準的布放方法:使母船裝有絞車的一邊迎著風，以使母船隨風漂泊時與剖面儀分離，避免系纜纏入船底;同時絞車要以合適的速度松放系纜，以保證系纜始終處于松弛裝態［6］。對剖面儀自身來說可通過合理的設計來降低母船和風浪的影響，如:美國Woods Hole海洋研究所［8］在研制湍流剖面儀HRP時通過增加剖面儀的長度來提高剖面儀的恢復力矩以減小剖面儀的擺動、提高穩定性;再如加拿大BIO研制的剖面儀EPSONDE［12］也是通過增加長度來提高其穩定性。降低母船影響的另一方法是在剖面儀尾端安裝阻力毛刷，如美國HRP系列剖面、加拿大的VMP、歐洲ISW Wasser公司與Sea Sun技術公司合作研制的的MSS系列剖面儀、日本的TurboMAP剖面儀等［4－8］。另外，在剖面儀內部增加配重也是提高其穩定性的有效方法［13］。

2.2 系纜對剖面儀振動的影響

剖面儀的系纜除可用于信號的實時傳輸外，還用于回收剖面儀。但由于纜繩一般較長(有些剖面儀的測深可達數千米)，其自身運動在復雜的海洋環境中會受很多不確定因素的影響，如海洋生物的撞擊、風浪、洋流等［14］。此外，系纜很難與剖面儀保持同速下降，從而對剖面儀產生拖拽，以及系纜的瞬間繃緊等，這些都不可避免會引起剖面儀的振動。

為降低纜繩對剖面儀的影響，除了要保持系纜松弛外，還要盡量采用質量輕近中性的系纜以減小系纜對剖面儀的干擾，如:Oakey等［4］在進行Octuprobe系列剖面儀研究時，用尼龍繩代替第一代剖面儀中的復合電纜，有效降低了剖面儀的振動。此外，還可采用浮子來拖動系纜以求最大限度地降低系纜對剖面儀的影響［15］。在測量結束回收剖面儀時，系纜因制動剖面儀而繃緊，從而引起剖面儀的劇烈振動，因此應保證回收時剖面儀所處深度大于目標測量深度，以保證目標觀測區域的數據不受影響。

2.3 剖面儀的渦致振動

由于海水具有粘性，當海水繞流具有不規則外形的剖面儀時，其殼體表面的凸凹結構使其周圍邊界層發生渦脫落現象，引起剖面儀周圍邊界層內壓力波動。當壓力波動產生的高頻激勵［11］接近剖面儀在水中的固有頻率fn時，便會引起剖面儀的共振，即渦致振動現象。Thwaites等［16］也指出剖面儀殼體凸起部分引發的渦脫落是激勵剖面儀發生共振的主要原因。

由于剖面儀共振會嚴重影響其測量精度，因此，如何減小剖面儀的渦致振動是提高剖面儀測量精度的關鍵之一。Miller［13］在研究AMP系列剖面儀時為減小渦致振動的影響，采用了盡量簡化的剖面儀殼體(如減少凸起)的方法來降低渦致振動的影響。除此之外，還可通過改變剖面儀的結構和內部質量分布來實現降振效果，如:Miller等［13］通過分析與實驗指出，測量噪聲中的峰值頻率值是由剖面儀的共振引起的，理論分析表明剖面儀的共振頻率取決于剖面儀的長度和直徑，文獻［13］中還給出了剖面儀在水中的固有頻率計算公式:

式中:f0為剖面儀在空氣中的固有頻率，ρ為液體密度，A為剖面儀的表面積，l為剖面儀長度，CI為一常數，m為剖面儀質量。在此基礎上Miller通過實驗驗證了通過縮短剖面儀長度、增加直徑來增加其固有頻率，以消除剖面儀共振對測量精度影響的可行性;此外Miller［13］還對剖面儀內部質量分布與固有頻率的關系進行了研究。Thwaites等［16－17］通過分析 HRP剖面儀的剪切譜指出，噪聲信號中的峰值頻率是由剖面儀的振動引起的，并根據此改進了剖面儀結構:縮短剖面儀長度、增大直徑，改進后的HRP剖面儀固有頻率及測量精度均大幅提高。

剖面儀的共振頻率是由剖面儀結構決定的，而能否發生共振則取決于剖面儀周圍邊界層內渦脫落引起的激勵力頻率［15，18］。因此，在改善剖面儀結構、提高其固有頻率的同時，還應設法降低渦脫落激勵的頻率和強度。由流體理論知，渦脫落的產生及強度取決于剖面儀殼體的形狀、下降速度，渦脫落的頻率則主要受剖面儀下降速度的影響，所以，在設計時要結合實際情況優化剖面儀的外形和下降速度，以控制渦脫落激勵的強度和頻率。

2.4 傳感器振動

剪切流傳感器是微結構湍流剖面儀的必要組成部分，是將剪切流信號轉換為電壓信號的第一步，因此其振動將直接影響剖面儀的測量精度。通過海試測試發現，剪切流傳感器的振動既有剖面儀殼體傳來的振動又有傳感器自身的振動。

為降低剪切流傳感器自身的振動，通常可采取如下兩種方法，其一是在設計時適當縮減傳感器懸臂的長度以提高剪切流傳感器的固有頻率;其二是將傳感器的探頭設計成流線型以減小渦脫激勵引起的傳感器振動。對于剖面儀殼體傳來的振動，可通過在剖面儀殼體和剪切流傳感器連接處增加阻尼或隔離元件來實現［19］。

3 傳感器搭載位置對測量精度的影響

剪切流傳感器普遍搭載于剖面儀的前端，如圖2(a)所示。這種搭載方式雖可以防止剖面儀殼體對傳感器周圍流場的影響，但也存在諸多缺點:① 為了架裝傳感器，剖面儀端蓋必須設計成平面形式，從而破壞了殼體的流線型，加劇了“渦致振動”;② 剖面儀前端面空間有限，致使其可搭載傳感器的數量有限;③ 尤其是，剖面儀在水中不可避免地會受到海流的擾動而產生擺動，從而嚴重影響剖面儀測量精度。原因如下:如果在海流擾動下剖面儀以角速度ω繞其擺心擺動時，如圖2(b)所示，傳感器探頭處的水平速度為:

式中:r為剖面儀擺心到剪切流傳感器探頭的距離。

因剪切流傳感器測量的湍流速度分量u實際上是垂直于傳感器軸線方向，即u與C為同一方向，見圖2(b)，所以C完全為一噪聲信號。

圖2 剪切流傳感器搭載于剖面儀前端Fig.2 The vertical profiler with the shear probe equipped at the front-end

為使剖面儀具有更好的流線形、減小因剖面儀擺動引起的噪聲信號，本文提出并設計了一種全新的傳感器搭載方案，如圖3所示，即將剪切流傳感器布置在剖面儀擺心附近的圓環上。該方案通過改變傳感器的搭載位置以提高剖面儀測量精度。當剖面儀以角速度ω擺動時，剪切流傳感器探頭處的速度為:

根據式(9)與圖3所示，由剖面儀擺動而引起剪切流傳感器探頭運動的線速度方向變為平行于傳感器軸線方向，并且一般情況下總有所 以，

圖3 傳感器搭載于剖面儀擺心周圍Fig.3 The vertical profiler with the shear probe equipped around the center of profiler's oscillation

將剖面儀測量信號與湍流速度的關系式(2)分別對 u和 V求微分得:

由式(10)、式(11)及圖1易知，在V＞u即α＜45°的情況下，水平湍流分量 u對電壓影響較大。因在大多數測量環境中所以，圖3中剪切流傳感器搭載位置與圖2中的搭載位置相比可有效降低剖面儀振動對測量信號的影響。

為考察剖面儀周圍流場是否會影響傳感器的測量及不同剖面儀模型的渦致振動情況，采用大渦數值模擬的方法對傳感器及不同外形剖面儀周圍邊界層流場分布、渦量分布進行了分析。圖4所示為當剖面儀以的速度下降時其周圍的速度場分布情況，模型1中剖面儀前端為平臺形(目前應用最多的形狀)，模型2前端為半球形，模型3前端為橢球形。設剖面儀的直徑為d，剖面儀周圍流體波動區域直徑為d1，計算結果如表1所示。

圖4 剖面儀周圍速度分布云圖Fig.4 Velocity distribution around the profiler

表1 不同模型周圍流場波動區直徑Tab.1 The diameter of disturbance zone

計算結果表明，剖面儀頭部為流線型(模型2、3)時，其流場波動區要小于非流線型頭部對流場的擾動。

圖5所示為傳感器周圍速度場分布情況，由圖5可知，剪切流傳感器對周圍流場的影響很微弱，可以忽略。另外，剖面儀與傳感器體積相差較大，本文計算所用剖面儀的直徑為傳感器直徑的16倍，長度大約為傳感器長度的20倍，因此，傳感器周圍的流場對剖面儀的影響可忽略。在搭載傳感器時，只要使傳感器探頭到剖面儀擺心距離r1大于剖面儀對其周圍流場的影響區半徑，即可保證傳感器不受剖面儀流場波動的影響。圖6所示本文提出的搭載方案中剖面儀與傳感器周圍的速度場分布情況，由圖中可以看出傳感器并未受到剖面儀流場波動的影響。

圖7所示為剖面儀周圍渦量的分布情況。從圖中可以看出，隨著剖面儀前端面由平臺型變為流線型，渦量值由大變小，并且趨于平緩。如圖7所示，模型1中渦量幅值較大且變化劇烈，這更容易引起剖面儀的振動，模型2中情況有所改善，而模型3中不僅渦量的幅值小而且渦量的變化也比較平緩，這將有效減小剖面儀的渦致振動，從而提高傳感器的測量精度［20］。

圖7 剖面儀周圍渦量分布圖Fig.7 Vorticity distribution around the profiler

綜上分析，此種搭載方案的優點是:① 有效減小剖面儀擺動對測量信號的干擾;② 剖面儀頭部可設計成流線型，以減小渦致振動。

4 結論

(1)垂直微結構湍流剖面儀由于作業環境復雜，引起其振動的原因很多，如:母船的擺動和風浪、系纜的拖拽、剖面儀渦致振動、剪切流傳感器振動等，針對不同的振動源探討了可采取的減振方法。

(2)在綜合分析現有減振方法的基礎上，為減小剖面儀振動對測量精度的影響，提出了一種全新的傳感器搭載方案，即將傳感器搭載于剖面儀擺心周圍的圓周上。

(3)理論分析及計算流體力學仿真結果表明，提出的傳感器搭載方案可有效減小剖面儀擺動振動噪聲對測量信號的干擾，減小剖面儀的渦致振動效應，為提高剖面儀測量精度提供了理論依據和可行的方法。

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