蘭世泉，劉玉紅，王延輝，劉 進(jìn)，王子龍

(天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

海水剪切流速數(shù)據(jù)是研究海洋湍流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)能耗散率的重要原始資料［1－2］。有纜自由下落式微結(jié)構(gòu)湍流剖面儀(簡(jiǎn)稱(chēng)垂直剖面儀)是目前獲取海水剪切流速數(shù)據(jù)最普遍和最有效的測(cè)量平臺(tái)，國(guó)外最早于上世紀(jì)50年代便開(kāi)始了微結(jié)構(gòu)湍流測(cè)量的研究，70年代早期，由 Osborn［3－4］于哥倫比亞大學(xué)研制成功世界上第一臺(tái)垂直微結(jié)構(gòu)湍流剖面儀。隨后加拿大、美國(guó)、日本及歐洲其他國(guó)家都進(jìn)行了垂直微結(jié)構(gòu)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(guó)的 AMP、TOPS、HRP 等系列，日本的TurboMAP系列，歐洲其他國(guó)家的PROTAS、MSS等系列［4－8］。國(guó)內(nèi)對(duì)微結(jié)構(gòu)湍流剖面儀的研究剛剛起步，僅天津大學(xué)完成了海洋微結(jié)構(gòu)湍流剖面儀樣機(jī)的研制［9－10］。

垂直剖面儀工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響其測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，因此其振動(dòng)性能是影響其測(cè)量精度的最主要因素之一，對(duì)其振動(dòng)源進(jìn)行分析對(duì)于剖面儀優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高剖面儀測(cè)量精度、理解測(cè)量信號(hào)中的背景噪音具有重要意義。本文介紹了垂直微結(jié)構(gòu)剖面儀的測(cè)量原理，在此基礎(chǔ)上，分析、討論了剖面儀振動(dòng)噪聲的來(lái)源以及如何降低振動(dòng)噪聲對(duì)剖面儀測(cè)量精度影響的方法。在綜合分析現(xiàn)有減振方法的基礎(chǔ)上，為減小剖面儀振動(dòng)對(duì)剪切流傳感器測(cè)量信號(hào)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(cè)量原理

垂直剖面儀的運(yùn)動(dòng)方式為自由落體式，通過(guò)安裝在其前端的翼型剪切流傳感器測(cè)量海水縱剖面的微結(jié)構(gòu)剪切流速，如圖1所示，并在測(cè)量結(jié)束后通過(guò)系于其末端的系纜回收。由于回收階段系纜的拖動(dòng)將嚴(yán)重影響剖面儀的姿態(tài)，剖面儀周?chē)鲌?chǎng)中渦的脫落會(huì)影響傳感器周?chē)鲌?chǎng)的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致剪切流傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的失效，因此取剖面儀下降階段測(cè)得的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，而回收階段(即上升階段)測(cè)得的數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)。

湍流可分解為水平分量和豎直分量，如圖1所示。當(dāng)剖面儀在水中豎直下落時(shí)，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?biāo)a(chǎn)生的橫向力Fp為:

圖1 垂直剖面儀及其測(cè)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(duì)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(jīng)剪切流傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)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(hào)Ep則直接受剖面儀振動(dòng)的影響。所以，為提高剖面儀測(cè)量精度及有效識(shí)別測(cè)量信號(hào)中的背景噪音，根據(jù)海試結(jié)果，分析總結(jié)了剖面儀各種振動(dòng)噪聲的來(lái)源及降低其對(duì)測(cè)量精度影響的方法。

2 垂直剖面儀振動(dòng)源分析

式中:S為剪切流傳感器的靈敏度。式(2)可寫(xiě)為:

式(3)兩端對(duì)時(shí)間微分求得水平剪切流速的變化率為:

海洋的湍動(dòng)能耗散率可表示為:

將式(5)代入式(6)便可求得海洋的湍動(dòng)能耗散率ε，用其建立數(shù)學(xué)模型描述海洋內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律及海洋宏觀運(yùn)動(dòng)。

由上述垂直剖面儀測(cè)量原理可知，影響其測(cè)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(hào)Ep。其中，剖面儀的下降速度V在設(shè)計(jì)、操作合理的情況下可認(rèn)為是常數(shù);密度ρ的波動(dòng)主要由海水的鹽度、溫度等引起，屬于不可

2.1 母船、風(fēng)浪對(duì)剖面儀振動(dòng)的影響

垂直剖面儀在使用過(guò)程中通過(guò)母船布放，波浪和風(fēng)等外力作用于母船必然會(huì)引起船體的擺動(dòng)，這些振動(dòng)將通過(guò)系纜傳至剖面儀，從而對(duì)剖面儀測(cè)量的有效信號(hào)產(chǎn)生干擾［11］。

為了降低母船、風(fēng)浪對(duì)剖面儀測(cè)量的干擾，在剖面儀的布放方面目前多采用一種標(biāo)準(zhǔn)的布放方法:使母船裝有絞車(chē)的一邊迎著風(fēng)，以使母船隨風(fēng)漂泊時(shí)與剖面儀分離，避免系纜纏入船底;同時(shí)絞車(chē)要以合適的速度松放系纜，以保證系纜始終處于松弛裝態(tài)［6］。對(duì)剖面儀自身來(lái)說(shuō)可通過(guò)合理的設(shè)計(jì)來(lái)降低母船和風(fēng)浪的影響，如:美國(guó)Woods Hole海洋研究所［8］在研制湍流剖面儀HRP時(shí)通過(guò)增加剖面儀的長(zhǎng)度來(lái)提高剖面儀的恢復(fù)力矩以減小剖面儀的擺動(dòng)、提高穩(wěn)定性;再如加拿大BIO研制的剖面儀EPSONDE［12］也是通過(guò)增加長(zhǎng)度來(lái)提高其穩(wěn)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(guó)HRP系列剖面、加拿大的VMP、歐洲ISW Wasser公司與Sea Sun技術(shù)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(nèi)部增加配重也是提高其穩(wěn)定性的有效方法［13］。

2.2 系纜對(duì)剖面儀振動(dòng)的影響

剖面儀的系纜除可用于信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸外，還用于回收剖面儀。但由于纜繩一般較長(zhǎng)(有些剖面儀的測(cè)深可達(dá)數(shù)千米)，其自身運(yùn)動(dòng)在復(fù)雜的海洋環(huán)境中會(huì)受很多不確定因素的影響，如海洋生物的撞擊、風(fēng)浪、洋流等［14］。此外，系纜很難與剖面儀保持同速下降，從而對(duì)剖面儀產(chǎn)生拖拽，以及系纜的瞬間繃緊等，這些都不可避免會(huì)引起剖面儀的振動(dòng)。

為降低纜繩對(duì)剖面儀的影響，除了要保持系纜松弛外，還要盡量采用質(zhì)量輕近中性的系纜以減小系纜對(duì)剖面儀的干擾，如:Oakey等［4］在進(jìn)行Octuprobe系列剖面儀研究時(shí)，用尼龍繩代替第一代剖面儀中的復(fù)合電纜，有效降低了剖面儀的振動(dòng)。此外，還可采用浮子來(lái)拖動(dòng)系纜以求最大限度地降低系纜對(duì)剖面儀的影響［15］。在測(cè)量結(jié)束回收剖面儀時(shí)，系纜因制動(dòng)剖面儀而繃緊，從而引起剖面儀的劇烈振動(dòng)，因此應(yīng)保證回收時(shí)剖面儀所處深度大于目標(biāo)測(cè)量深度，以保證目標(biāo)觀測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)不受影響。

2.3 剖面儀的渦致振動(dòng)

由于海水具有粘性，當(dāng)海水繞流具有不規(guī)則外形的剖面儀時(shí)，其殼體表面的凸凹結(jié)構(gòu)使其周?chē)吔鐚影l(fā)生渦脫落現(xiàn)象，引起剖面儀周?chē)吔鐚觾?nèi)壓力波動(dòng)。當(dāng)壓力波動(dòng)產(chǎn)生的高頻激勵(lì)［11］接近剖面儀在水中的固有頻率fn時(shí)，便會(huì)引起剖面儀的共振，即渦致振動(dòng)現(xiàn)象。Thwaites等［16］也指出剖面儀殼體凸起部分引發(fā)的渦脫落是激勵(lì)剖面儀發(fā)生共振的主要原因。

由于剖面儀共振會(huì)嚴(yán)重影響其測(cè)量精度，因此，如何減小剖面儀的渦致振動(dòng)是提高剖面儀測(cè)量精度的關(guān)鍵之一。Miller［13］在研究AMP系列剖面儀時(shí)為減小渦致振動(dòng)的影響，采用了盡量簡(jiǎn)化的剖面儀殼體(如減少凸起)的方法來(lái)降低渦致振動(dòng)的影響。除此之外，還可通過(guò)改變剖面儀的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部質(zhì)量分布來(lái)實(shí)現(xiàn)降振效果，如:Miller等［13］通過(guò)分析與實(shí)驗(yàn)指出，測(cè)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(zhǎng)度和直徑，文獻(xiàn)［13］中還給出了剖面儀在水中的固有頻率計(jì)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(zhǎng)度，CI為一常數(shù)，m為剖面儀質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上Miller通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)縮短剖面儀長(zhǎng)度、增加直徑來(lái)增加其固有頻率，以消除剖面儀共振對(duì)測(cè)量精度影響的可行性;此外Miller［13］還對(duì)剖面儀內(nèi)部質(zhì)量分布與固有頻率的關(guān)系進(jìn)行了研究。Thwaites等［16－17］通過(guò)分析 HRP剖面儀的剪切譜指出，噪聲信號(hào)中的峰值頻率是由剖面儀的振動(dòng)引起的，并根據(jù)此改進(jìn)了剖面儀結(jié)構(gòu):縮短剖面儀長(zhǎng)度、增大直徑，改進(jìn)后的HRP剖面儀固有頻率及測(cè)量精度均大幅提高。

剖面儀的共振頻率是由剖面儀結(jié)構(gòu)決定的，而能否發(fā)生共振則取決于剖面儀周?chē)吔鐚觾?nèi)渦脫落引起的激勵(lì)力頻率［15，18］。因此，在改善剖面儀結(jié)構(gòu)、提高其固有頻率的同時(shí)，還應(yīng)設(shè)法降低渦脫落激勵(lì)的頻率和強(qiáng)度。由流體理論知，渦脫落的產(chǎn)生及強(qiáng)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(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化剖面儀的外形和下降速度，以控制渦脫落激勵(lì)的強(qiáng)度和頻率。

2.4 傳感器振動(dòng)

剪切流傳感器是微結(jié)構(gòu)湍流剖面儀的必要組成部分，是將剪切流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的第一步，因此其振動(dòng)將直接影響剖面儀的測(cè)量精度。通過(guò)海試測(cè)試發(fā)現(xiàn)，剪切流傳感器的振動(dòng)既有剖面儀殼體傳來(lái)的振動(dòng)又有傳感器自身的振動(dòng)。

為降低剪切流傳感器自身的振動(dòng)，通?？刹扇∪缦聝煞N方法，其一是在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)縮減傳感器懸臂的長(zhǎng)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(shè)計(jì)成流線型以減小渦脫激勵(lì)引起的傳感器振動(dòng)。對(duì)于剖面儀殼體傳來(lái)的振動(dòng)，可通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)［19］。

3 傳感器搭載位置對(duì)測(cè)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(duì)傳感器周?chē)鲌?chǎng)的影響，但也存在諸多缺點(diǎn):① 為了架裝傳感器，剖面儀端蓋必須設(shè)計(jì)成平面形式，從而破壞了殼體的流線型，加劇了“渦致振動(dòng)”;② 剖面儀前端面空間有限，致使其可搭載傳感器的數(shù)量有限;③ 尤其是，剖面儀在水中不可避免地會(huì)受到海流的擾動(dòng)而產(chǎn)生擺動(dòng)，從而嚴(yán)重影響剖面儀測(cè)量精度。原因如下:如果在海流擾動(dòng)下剖面儀以角速度ω繞其擺心擺動(dòng)時(shí)，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(cè)量的湍流速度分量u實(shí)際上是垂直于傳感器軸線方向，即u與C為同一方向，見(jiàn)圖2(b)，所以C完全為一噪聲信號(hào)。

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(dòng)引起的噪聲信號(hào)，本文提出并設(shè)計(jì)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(huán)上。該方案通過(guò)改變傳感器的搭載位置以提高剖面儀測(cè)量精度。當(dāng)剖面儀以角速度ω?cái)[動(dòng)時(shí)，剪切流傳感器探頭處的速度為:

根據(jù)式(9)與圖3所示，由剖面儀擺動(dòng)而引起剪切流傳感器探頭運(yùn)動(dòng)的線速度方向變?yōu)槠叫杏趥鞲衅鬏S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?chē)鶩ig.3 The vertical profiler with the shear probe equipped around the center of profiler's oscillation

將剖面儀測(cè)量信號(hào)與湍流速度的關(guān)系式(2)分別對(duì) 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(duì)電壓影響較大。因在大多數(shù)測(cè)量環(huán)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(dòng)對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響。

為考察剖面儀周?chē)鲌?chǎng)是否會(huì)影響傳感器的測(cè)量及不同剖面儀模型的渦致振動(dòng)情況，采用大渦數(shù)值模擬的方法對(duì)傳感器及不同外形剖面儀周?chē)吔鐚恿鲌?chǎng)分布、渦量分布進(jìn)行了分析。圖4所示為當(dāng)剖面儀以的速度下降時(shí)其周?chē)乃俣葓?chǎng)分布情況，模型1中剖面儀前端為平臺(tái)形(目前應(yīng)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(shè)剖面儀的直徑為d，剖面儀周?chē)黧w波動(dòng)區(qū)域直徑為d1，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖4 剖面儀周?chē)俣确植荚茍DFig.4 Velocity distribution around the profiler

表1 不同模型周?chē)鲌?chǎng)波動(dòng)區(qū)直徑Tab.1 The diameter of disturbance zone

計(jì)算結(jié)果表明，剖面儀頭部為流線型(模型2、3)時(shí)，其流場(chǎng)波動(dòng)區(qū)要小于非流線型頭部對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)。

圖5所示為傳感器周?chē)俣葓?chǎng)分布情況，由圖5可知，剪切流傳感器對(duì)周?chē)鲌?chǎng)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(jì)算所用剖面儀的直徑為傳感器直徑的16倍，長(zhǎng)度大約為傳感器長(zhǎng)度的20倍，因此，傳感器周?chē)牧鲌?chǎng)對(duì)剖面儀的影響可忽略。在搭載傳感器時(shí)，只要使傳感器探頭到剖面儀擺心距離r1大于剖面儀對(duì)其周?chē)鲌?chǎng)的影響區(qū)半徑，即可保證傳感器不受剖面儀流場(chǎng)波動(dòng)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?chē)乃俣葓?chǎng)分布情況，由圖中可以看出傳感器并未受到剖面儀流場(chǎng)波動(dòng)的影響。

圖7所示為剖面儀周?chē)鷾u量的分布情況。從圖中可以看出，隨著剖面儀前端面由平臺(tái)型變?yōu)榱骶€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(dòng)，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(dòng)，從而提高傳感器的測(cè)量精度［20］。

圖7 剖面儀周?chē)鷾u量分布圖Fig.7 Vorticity distribution around the profiler

綜上分析，此種搭載方案的優(yōu)點(diǎn)是:① 有效減小剖面儀擺動(dòng)對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾;② 剖面儀頭部可設(shè)計(jì)成流線型，以減小渦致振動(dòng)。

4 結(jié)論

(1)垂直微結(jié)構(gòu)湍流剖面儀由于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，引起其振動(dòng)的原因很多，如:母船的擺動(dòng)和風(fēng)浪、系纜的拖拽、剖面儀渦致振動(dòng)、剪切流傳感器振動(dòng)等，針對(duì)不同的振動(dòng)源探討了可采取的減振方法。

(2)在綜合分析現(xiàn)有減振方法的基礎(chǔ)上，為減小剖面儀振動(dòng)對(duì)測(cè)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?chē)膱A周上。

(3)理論分析及計(jì)算流體力學(xué)仿真結(jié)果表明，提出的傳感器搭載方案可有效減小剖面儀擺動(dòng)振動(dòng)噪聲對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾，減小剖面儀的渦致振動(dòng)效應(yīng)，為提高剖面儀測(cè)量精度提供了理論依據(jù)和可行的方法。

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