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[導(dǎo)讀] 引言 近年來,由于海洋防務(wù)和開發(fā)的需求,水下遙控技術(shù)越來越受重視。目前來看,在海水中傳遞信息、無線電波和光很容易被吸收并形成散射,而聲波在海洋中的傳播速度約為1530m/s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在空

引言

近年來,由于海洋防務(wù)和開發(fā)的需求,水下遙控技術(shù)越來越受重視。目前來看,在海水中傳遞信息、無線電波和光很容易被吸收并形成散射,而聲波在海洋中的傳播速度約為1530m/s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在空氣中的340m/s的速度,并且衰減很小。所以聲波是目前水中信息傳輸?shù)闹饕d體,水聲通信成為水下遙控信息傳輸?shù)闹饕侄巍?/p>

海底管道檢測(cè)信標(biāo)設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱信標(biāo))應(yīng)用水聲通信的調(diào)制解調(diào)和編碼解碼技術(shù)對(duì)海底管道進(jìn)行漏磁檢測(cè),以防管道因年久失修或腐蝕而出現(xiàn)故障。

信標(biāo)通常用于水下300m以內(nèi)的淺海領(lǐng)域的石油管道故障檢測(cè)。故信標(biāo)由靜止?fàn)顟B(tài)從水面下降到水底過程的研究和從水下解上浮到水面過程的研究對(duì)于信標(biāo)測(cè)試具有實(shí)際價(jià)值。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析、計(jì)算、仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)于確定信標(biāo)設(shè)備的最佳材質(zhì)和尺寸以及水下的實(shí)際布放具有指導(dǎo)意義。

1 、球體水下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)研究

信標(biāo)設(shè)備的形狀與球形物體有相似之處。在分析信標(biāo)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)前,分析和研究相同材質(zhì)和體積等參數(shù)的球體在水下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是很有必要和價(jià)值的。通過修正球體運(yùn)動(dòng)的阻力通式即可得到信標(biāo)運(yùn)動(dòng)所受阻力的通式。

1.1 球體水下受力分析

球體由靜止?fàn)顟B(tài)從水面下降到水底的過程如圖1所示,初速度、初加速度和初始位移均為0。

忽略流體相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng),球體下落過程做的是變加速直線運(yùn)動(dòng)。球體水下主要受力為重力、浮力和阻力。重力和浮力為恒定值,球體阻力隨速度的增大而增大。當(dāng)達(dá)到一定速度時(shí),球體處于平衡狀態(tài),保持勻速直線運(yùn)動(dòng)繼續(xù)下降,直到水底。信標(biāo)設(shè)備放置區(qū)域?yàn)?00m以內(nèi)的淺海領(lǐng)域,故分析0m~300m位移內(nèi)球體的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)牛頓第二定律得到運(yùn)動(dòng)方程:

(1)

雷廷智根據(jù)牛頓理論推導(dǎo)出球體在理想流體中運(yùn)動(dòng)的阻力公式,后經(jīng)修正得到湍流條件下的壓差阻力公式:

Re≤1時(shí),阻力為粘滯阻力,應(yīng)用斯托克斯公式,阻力與速度成正比。

當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的雷諾數(shù)在牛頓-雷廷智公式與斯托克斯公式之間,即1≤Re≤500,兩種阻力同時(shí)影響物體的運(yùn)動(dòng)。阿連曾在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出一個(gè)適合2≤Re≤300的阻力公式[1]:

其中Φ為阻力系數(shù),是雷諾數(shù)的函數(shù),即f=f(Re)。英國物理學(xué)家李萊用實(shí)驗(yàn)方法確定了Φ-Re關(guān)系曲線[3]如圖2所示。曲線的縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)均用對(duì)數(shù)表示??梢钥闯觯惦SRe的增大而連續(xù)平滑地減小。已知Re可以估算出阻力系數(shù)。

1) Re≤1時(shí),斯托克斯公式成立,主要考慮粘滯阻力,流體處于層流狀態(tài),阻力與速度成正比;

2) 500≤Re≤2≤105時(shí),牛頓-雷廷智公式成立,主要考慮壓差阻力,流體處于紊流狀態(tài),阻力與速度的平方成正比;

3) 2≤Re≤300時(shí),阿連公式成立,兩種力并存,雷諾數(shù)不同,兩種力的比例不同,流體處于過度狀態(tài)。

1.2 球體阻力的修正

考慮信標(biāo)的當(dāng)量直徑很大,故達(dá)到沉降末速時(shí)的雷諾數(shù)可高達(dá)李萊曲線的末端,故要推測(cè)出超出牛頓-雷廷智公式區(qū)域外的阻力系數(shù),而不能僅僅采用固定的阻力系數(shù)。根據(jù)李萊曲線修正后的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系如下:

(7)

由于Re是速度和直徑的函數(shù),故直徑確定下,可分段求解二階微分方程,確定每段的初始條件,最后利用MATLAB求解微分方程,得到運(yùn)動(dòng)關(guān)系曲線。這種修正阻力系數(shù)的方法使阻力系數(shù)的確定更加精確,進(jìn)而仿真結(jié)果更加可信,適用于高雷諾數(shù)下阻力的計(jì)算。

1.3 球體MATLAB仿真結(jié)果

研究球體在水下的運(yùn)動(dòng)過程,方程如下:

(8)

整理得:

(9)

由于球體下落過程的雷諾數(shù)很大,故球體運(yùn)動(dòng)過程主要是在紊流區(qū)域,符合牛-雷公式,阻力系數(shù)為定值。

MATLAB仿真,將高階微分方程轉(zhuǎn)化為一階微分方程組,即狀態(tài)方程,然后基于龍格-庫塔法求解此方程組,得到二階微分方程滿足初始條件下的特解。龍格-庫塔法的一般調(diào)用格式為:

這兩個(gè)函數(shù)分別采用了二階、三階、四階和五階龍格-庫塔法,并采用自適應(yīng)和變步長的求解方法,即當(dāng)解的變化較慢時(shí)采用較大的步長,從而使得計(jì)算速度很快;當(dāng)解的變化較快時(shí)步長會(huì)自動(dòng)變小,從而提高計(jì)算精度。

2 、信標(biāo)水下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)研究

2.1 信標(biāo)阻力公式的修正

修正球體在介質(zhì)中沉降速度及介質(zhì)阻力公式,可以分析計(jì)算出信標(biāo)設(shè)備在介質(zhì)中的沉降規(guī)律。球形系數(shù)X為相同體積下球體的表面積與非球體的表面積之比,用其表征形狀與球體的偏離程度。

經(jīng)過修正后,非球體在水中所受阻力通式為:

(12)

其中,Φf為非球體在水中所受阻力的阻力系數(shù),dv為體積當(dāng)量直徑,即等體積下球體的直徑。vf為非球體在水中的運(yùn)行速度。非球體在水下的沉降末速公式為:

一般來說,球體比其他形狀的物體更便于介質(zhì)從周圍流過。等體積條件下,球體的表面積最小,球形系數(shù)越小,說明物體越不規(guī)則,所受的阻力越大,沉降末速也就越小??傂艠?biāo)設(shè)備包括壓載基座和信標(biāo)儀器艙。如圖3所示。

2.2 信標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程的計(jì)算

信標(biāo)下降過程的主要參數(shù)如下:

SolidWords計(jì)算測(cè)得總信標(biāo)設(shè)備的表面積約為:S=1.277m2

計(jì)算得出:

體積當(dāng)量直徑:

;

球形系數(shù):

修正后的阻力系數(shù)為:

下沉過程中,相同密度和當(dāng)量直徑的球體經(jīng)過計(jì)算后的阻力如下:

(17)

上浮過程中,信標(biāo)設(shè)備的基座留在水下,信標(biāo)儀器艙解鎖上浮,上浮過程的主要參數(shù)如下:

SolidWords計(jì)算測(cè)得信標(biāo)儀器艙的表面積約為:

s=0.8577m2

計(jì)算得出:

體積當(dāng)量直徑:

球形系數(shù):

修正后的阻力系數(shù)為:

2.3 MATLAB仿真計(jì)算

信標(biāo)下降運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真如圖4;

相同當(dāng)量直徑球體下降運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真曲線如圖5;

信標(biāo)上升運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真曲線如圖6;

相同當(dāng)量直徑球體上升運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真曲線如圖7。

2.4 信標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)結(jié)論

信標(biāo)設(shè)備下沉過程中1s達(dá)到沉降末速1.59m/s,而后以該速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。相同當(dāng)量直徑球體約3s達(dá)到沉降末速3.19m/s,后以該速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。信標(biāo)設(shè)備上浮過程中1s達(dá)到末速1.44m/s,相同當(dāng)量直徑球體約2s達(dá)到沉降末速2.175m/s。信標(biāo)設(shè)備的沉降末速約為相同當(dāng)量直徑球體沉降末速的X倍,信標(biāo)設(shè)備的表面積越接近標(biāo)準(zhǔn)球形,其球形系數(shù)越接近1,運(yùn)動(dòng)末速越接近球體的沉降末速,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越接近具有相同當(dāng)量直徑的球體??梢姡撔艠?biāo)的形狀與相同當(dāng)量直徑的標(biāo)準(zhǔn)球體相差還是較大的。

3 、山東煙臺(tái)海試

在船上首先將信標(biāo)連同基座鎖緊后投入海里后進(jìn)行遙控操作,解鎖上浮正常。傳輸距離約為100m,水深約13m ,上浮時(shí)間約為8s~9s,平均速度約為1.5m/s。與仿真結(jié)果1.44 m/s相差不大。

4 、總結(jié)

本文通過理論推導(dǎo)和仿真推導(dǎo)海底管道檢測(cè)信標(biāo)設(shè)備的水下布放與解鎖上浮的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),通過海試驗(yàn)證理論推導(dǎo)的正確性,最終驗(yàn)證了李萊曲線和阻力公式應(yīng)用于信標(biāo)設(shè)備運(yùn)動(dòng)分析的正確性和可行性。

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