水下監(jiān)測(cè)設(shè)備翼型導(dǎo)流罩三維流固耦合研究

代紹嶺，管 官

（1. 黃海造船有限公司，山東威海 264309；2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引言

隨著海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，解決水下目標(biāo)的信息特征, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)、定位和識(shí)別越來(lái)越受到人們的重視。而使用水下監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行信息采集時(shí)，在水流影響下常常存在設(shè)備失穩(wěn)及振動(dòng)等問(wèn)題，不利于信息的準(zhǔn)確收集。

為維持水下監(jiān)測(cè)設(shè)備穩(wěn)定，學(xué)者們從很多方面進(jìn)行了研究，如潛標(biāo)系統(tǒng)、浮標(biāo)系統(tǒng)及導(dǎo)流罩等。其中導(dǎo)流罩方案方便監(jiān)測(cè)設(shè)備與其他器件的整合封裝，故本文重點(diǎn)研究此方案。

如何評(píng)判導(dǎo)流罩的穩(wěn)定效果也一直是研究重點(diǎn)，主要分為理論推導(dǎo)、模型仿真及試驗(yàn)測(cè)試幾個(gè)方法。由于設(shè)計(jì)過(guò)程中構(gòu)件復(fù)雜性及試驗(yàn)條件的限制，本文針對(duì)模型仿真法進(jìn)行研究。由于流固耦合計(jì)算所需計(jì)算資源龐大，而較計(jì)算復(fù)雜模型的流固耦合響應(yīng)就更難完成，故目前學(xué)者們往往選擇二維流固耦合計(jì)算來(lái)分析導(dǎo)流罩穩(wěn)定作用，這種分析方法簡(jiǎn)便但對(duì)運(yùn)動(dòng)分析不夠準(zhǔn)確。故本文針對(duì)所設(shè)計(jì)的翼型導(dǎo)流罩進(jìn)行三維流固耦合計(jì)算，并對(duì)所得振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，證明了導(dǎo)流罩對(duì)水下監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定作用。

1 流固耦合

針對(duì)水下監(jiān)測(cè)設(shè)備穩(wěn)定性問(wèn)題，本文重點(diǎn)分析海流影響。流固耦合研究的是流體和固體之間的相互影響和相互作用，是多場(chǎng)耦合問(wèn)題在科學(xué)和工程中的應(yīng)用之一。

1.1 湍流模型

常見(jiàn)的湍流模型有 k-ε模型、k-ω 模型、Spalart-Allmaras模型和雷諾應(yīng)力模型等，本文選取的是k-ε模型，它將理論及經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合，利用實(shí)驗(yàn)總結(jié)出道經(jīng)驗(yàn)公式解決粘性底層內(nèi)的流動(dòng)問(wèn)題，是兼具內(nèi)存占用小和高精度的常用湍流模型。

1.2 耦合交界面

流固耦合也遵循最基本的守恒原則，流固耦合交界面上應(yīng)遵守應(yīng)力守恒、位移守恒、熱流量守恒以及溫度守恒，如式（1）所示。

式中：τ為應(yīng)力；d為位移；q為熱流量；T為溫度；下標(biāo)f和s分別表示流體和固體。

1.3 流固耦合分類(lèi)

流固耦合的大致分類(lèi)情況見(jiàn)圖 1，本文所研究的水下監(jiān)測(cè)設(shè)備及導(dǎo)流罩流固耦合，須同時(shí)考慮固體對(duì)流體以及流體對(duì)固體的的相互影響，故選擇雙向流固耦合。

圖1 流固耦合分類(lèi)

2 仿真計(jì)算

為分析導(dǎo)流罩對(duì)水下監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定作用，分別對(duì)水下監(jiān)測(cè)設(shè)備及加裝導(dǎo)流罩的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行流固耦合分析，通過(guò)對(duì)比二者的位移響應(yīng)來(lái)進(jìn)行分析判斷。

ANSYS Workbench可建立分析流程并在流程中激活相關(guān)的應(yīng)用程序，工作界面友好，操作人性化。故選用ANSYS Workbench進(jìn)行雙向流固耦合，以得出渦激振動(dòng)位移響應(yīng)。

2.1 雙向流固耦合平臺(tái)搭建

選用Ansys進(jìn)行固體動(dòng)力學(xué)分析，F(xiàn)luent進(jìn)行流體計(jì)算。在 Analysis Systems欄和 Component Systems欄中分別調(diào)出流體模塊（Fluid Flow）、結(jié)構(gòu)模塊（Transient Structural）以及系統(tǒng)耦合器（System Coupling），并連接形成雙向流固耦合分析系統(tǒng)（見(jiàn)圖 2）。

圖2 雙向流固耦合分析

2.2 模型建立

為對(duì)比帶導(dǎo)流罩監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)振動(dòng)的抑制作用，本文選用某一水下監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝導(dǎo)流罩前后2個(gè)模型進(jìn)行流固耦合計(jì)算。此監(jiān)測(cè)設(shè)備為一250 mm長(zhǎng)變截面柱體，被尼龍繩牽拉置于流體中，流固耦合幾何模型見(jiàn)圖3。流域尺寸為0.5 m×0.5 m×0.3 m。應(yīng)用Transient Structural和Fluid Flow中的modal模塊分別對(duì)水聽(tīng)器和流域劃分網(wǎng)格，得到有限元模型見(jiàn)圖4。

圖3 水下監(jiān)測(cè)設(shè)備流固耦合幾何模型（未安裝導(dǎo)流罩）

圖4 水下監(jiān)測(cè)設(shè)備流固耦合有限元模型（未安裝導(dǎo)流罩）

導(dǎo)流罩為930 mm長(zhǎng)的翼型截面柱體，同樣被尼龍繩牽拉置于流體中。為更好地捕捉流體運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)置流域尺寸寬20 d，長(zhǎng)40 d，與入口距離10 d（

d

為翼型截面弦長(zhǎng)），最終得出流域尺寸為14 m×28 m×5 m。安裝導(dǎo)流罩監(jiān)測(cè)設(shè)備的幾何模型見(jiàn)圖5，對(duì)其劃分網(wǎng)格，得到有限元模型見(jiàn)圖6。

圖5 水下監(jiān)測(cè)設(shè)備流固耦合幾何模型（安裝導(dǎo)流罩）

圖6 水下監(jiān)測(cè)設(shè)備流固耦合有限元模型（安裝導(dǎo)流罩）

2.3 參數(shù)設(shè)置

流固耦合分析中，重點(diǎn)在于流體分析的參數(shù)設(shè)置。在流體分析中涉及到的重要參數(shù)設(shè)置包括湍流模型選擇、邊界條件設(shè)置以及動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置。

1）湍流模型：Fluent提供了多種湍流模型，本文選擇標(biāo)準(zhǔn)

k-ε

模型。標(biāo)準(zhǔn)

k-ε

模型系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式給出，計(jì)算比較穩(wěn)定。

2）邊界條件：位于計(jì)算流域的左端面處的速度入口設(shè)置端面上為均勻來(lái)流，速度為1.5 m/s；位于計(jì)算流域右端面處出口邊界設(shè)置為outflow；其余流體邊界設(shè)置為wall。

3）動(dòng)網(wǎng)格：動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)用于模擬仿真計(jì)算區(qū)域隨時(shí)間的變化。本文應(yīng)用彈簧光順?lè)ǎ⊿pring-Based Smoothing）進(jìn)行分析，它能夠根據(jù)邊界節(jié)點(diǎn)上已知的位移，平滑地調(diào)整流域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置。通過(guò)基于彈性變形的網(wǎng)格光滑更新體網(wǎng)格，而不改變網(wǎng)格之間的連通性。

2.4 流固耦合響應(yīng)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)水下監(jiān)測(cè)設(shè)備及帶導(dǎo)流罩監(jiān)測(cè)設(shè)備的流固耦合分析，得到了監(jiān)測(cè)設(shè)備下端點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)。

未安裝導(dǎo)流罩的水下監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)響應(yīng)的穩(wěn)定部分結(jié)果見(jiàn)圖7，從圖7可看出其位移相對(duì)雜亂且頻率高，紅線為其擬合的正弦函數(shù)曲線，函數(shù)為

圖7 水下監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)響應(yīng)位移結(jié)果（未安裝導(dǎo)流罩）

未安裝導(dǎo)流罩的水下監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)的振幅為2.5×10m，周期為0.489 s。

安裝有導(dǎo)流罩的監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)位移響應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定部分結(jié)果見(jiàn)圖 8，位移有下降趨勢(shì)，結(jié)果的正弦函數(shù)擬合曲線為圖8中紅線，函數(shù)為

圖8 水下監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)響應(yīng)位移結(jié)果（安裝導(dǎo)流罩）

安裝有導(dǎo)流罩的水下監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)的振幅為2.485 65×10m，周期為0.708 s。

對(duì)比可知，安裝導(dǎo)流罩后水下檢測(cè)設(shè)備振動(dòng)平穩(wěn)，周期明顯增大，也就是頻率有效減小，這代表其位移響應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定。此外，振幅也略微減小。

3 結(jié)論

在海洋環(huán)境中，水下監(jiān)測(cè)設(shè)備往往無(wú)法保持穩(wěn)定正常工作，故為其加裝翼型導(dǎo)流罩。本文對(duì)水下監(jiān)測(cè)設(shè)備及帶導(dǎo)流罩監(jiān)測(cè)設(shè)備分別進(jìn)行了三維流固耦合計(jì)算，得到振動(dòng)位移響應(yīng)。經(jīng)分析證明了無(wú)論從振幅還是頻率方面，安裝導(dǎo)流罩均有降低作用，可增強(qiáng)監(jiān)測(cè)設(shè)備在水中的穩(wěn)定性。