摘要：海洋渔业现代化发展过程中，对渔业范围海洋环境的监测与保护十分重要，决定了渔业生产的可靠性。目前较多使用的海洋渔业环境监测装置为浮标，通过监测浮标收集到的水文资料对渔业的作业生产直观重要，所以在资料的采集过程中保证数据的准确性与可靠性最为关键。一般由于风浪的作用，浮标很难保证稳定性，本文采用FLUENT软件，通过构建流体体积模型来模拟浮标受力情况，并分析计算结果调整吃水线改善受力情况，对结构进行优化设计。
关键词：浮标；仿真
引言：浮标有不同的种类和规格，按布设的水域可分为海上浮标和内河浮标。海上浮标标身的基本形状有罐形、锥形、球形、柱形、杆形等。由于浮标受风、浪、潮的影响，标体有一定浮移范围，不能用作测定船位的标志。若采用活结式杆形浮标则位置准确，受撞后可复位。内河浮标有鼓形浮标、三角形浮标、棒形浮标、横流浮标和左右通航浮标等。浮标的形状、涂色、顶标、灯质（灯光节奏、光色、闪光周期）等都按规定标准制作，均有特定含义。通过利用SolidWorks工具进行监测浮标的结构优化设计，继而提高数据采集的稳定性。
一、研究方法
本次优化设计主要采用了Fluent商用CFD软件包，该软件适用于流体、热传递以及化学反应相关的工业，具有丰富的物理模型和先进的数值方法，同时拥有比较强大的前后处理功能。该软件采用基于完全非结构化网络的有限体积法，且具有基于网络节点和网格单元的梯度算法，主要有非耦合隐式算法、耦合显示算法、耦合隐式算法。采用Fluent软件进行模型构建，并设置网格与边界条件，并计算求解[1]。
具体研究思路为：首先将根据常用的船型浮标体的体形画出相应的坐标点，并连线组面，构出船体形状；然后建立一个比较小的流动区域，便于进行网格加密与浮标体吃水线高度的调整；接着采用相同的方式构建出外围流域，流域范围要求比上述流动区域更大，并模拟风、水的流场，并对各个面进行网格划分，其中流场的入口要求划分密集，出口划分稀疏；其次设置相应的边界类型，将模型与相关参数导入到Fluent软件中，并采用流体体积模型，设置气流、水流速度、密度、大气压等各项参数，通过迭代计算获得浮标升力与阻力[2]。再将经验公式算得的结果与实际模拟值进行比较，从而对浮标的吃水线高度做出相应的调整，再对调整后的升力与阻力加以计算。结果发现，调整后的浮标吃水线高度提高了浮标的稳定性，说明这种优化方法具有可行性，于是采用SolidWorks软件进行数字化优化设计，最终达到提高浮标标体稳定性与数据采集可靠性的目标[3]。
二、计算与仿真分析
1、参数分析
本文采用的船型资料中，浮标体是一艘船，长度为6，高2m，重量为11.25t，压浪板与水平线的夹角为30°。根据船型浮标上下气液流动的特征，本研究采用两维模型展开计算。仿真计算过程中，假设空气与海水交界面的变化为逐渐稳定的过程，因此采用非稳定的计算方式，即流体的动能会对浮标产生升力，并引起浮标的运动，影响阻力大小与浮标的稳定性。
设浮标浮力为F，假设浮力F为浮标自重G的60%，则F=0.6G。根据浮标浮力等于浮标排水重力的特征，所以得到以下公式：
公式中，ρ为水密度，g为重力加速度，h为水位线，L为长度。在浮标宽度上，根据Fluent软件默认的数值设置为1m，并计算初始状态下的浮标体湿面积，计算公式为：
在浮标静止的状态下，受到的力包括水对浮标体的浮力、水流与气流对浮标体产生的升力与阻力。而其中水对浮标体的升力会导致其产生向上运动，加上气液表面的变化会影响浮力，所以吃水线需要做调整。理论上，浮标体所受的静浮力与升力之和应当等于浮标体的自身重力，即设Ff与Fd分别为浮标体所受静浮力与升力，则有Ff+Fd=G。设排水体积为△V，则有：
而排水体积的变化会导致浮标体水位线的变化，设水位线变化为△h，则水位线变化公式为：
再将所有参数带入，求得浮标体初始的水位线为h为1m，初始状态的湿面积A0为8.414㎡，静浮力为6.75×9.81×103N，排水体积△V为6.719m³。以上数据为代入数据后计算求得的数据，与Fluent软件计算获得的数据相比，浮标体的湿面积基本没有任何变化，升力为49.415kN，并由变化浮力-5.27kN可知，升力Fd与静浮力Ff之和大于浮标体自身重量，所以吃水线有所下降，且下降距离计算可以得到为0.046m，而水位线的则由1m变为0.954m，静浮力为60.786kN，再根据浮标体自身的重力可求得升力为49.564kN。
2、仿真计算
首先进行网格的划分与边界条件的设置，由上文所述的研究内容，创建相应的浮标体与流域模型。采用Gambit软件划分网格，分为空气、水两个部分，并构出船型浮标体的基本形状，创建小型流动区域，便于观察吃水线变化，并另外创建较大的外围流域，要求适当模拟海风、水流等。对不同区域进行网格的划分，入口应当密集划分，出口则稀疏划分[4]。如图1所示为网格划分图。
浮标体的底部、顶部以及左端边界、右端边界均采用对称边界条件，流体法向的速度为零。采用临近修正piso算法对压强-速度耦合进行计算，加快收敛速度，减少运算量。
将以上网格导入到Fluent软件中，并设置空气与水流的平均速度一致，均为3m/s，水密度为1.03×103kg/m3，由此计算湿面积，得出数据A0=8.4132㎡，与理论计算求得的数值具有微小的差异，一般是由于舍入误差造成的，可以说明模型构建的有效性。再次导入调整后的浮标吃水线数据，进行二次运算，得出结果湿面积为8.5641㎡，远远高于首次计算的结果，说明网格的划分是正确的。在对吃水线的调整之前，对阻力与升力进行迭代计算，发现在时间间隔中的第27s时，两个力逐渐平衡稳定。在调整吃水线之后再进行迭代计算，发现两力在第30s的时候逐渐稳定，则将该两个时刻下的力进行比较，得出表1数值结果。
通过结果不难发现，升力与浮力对浮标船的水平、垂直方向运动状态均有影响。在升力增大的情况下，阻力就会减小，且两者之间的夹角就会降低。而夹角的增大会导致浮标摆动幅度的增大，影响浮标稳定性，说明本次提高吃水线，降低两种力的夹角，能够显著提高浮标的稳定性。
结语：综合全文，通过利用Fluent软件进行模型的构建与仿真计算，利用相应的仿真结果对浮标进行结构设计可以得出结论，降低浮标吃水线的高度能够增大阻力，导致稳定性受到影响，因此通过提高吃水线高度能够有效提高浮标的稳定性，确保监测海洋环境的数据采集具有准确性。
参考文献：
[1]宋秋红，唐歆，兰雅梅，等.海洋渔业环境监测浮标的优化设计[J].渔业现代化，2010，37（5）：47-49.
[2]李林奇，熊焰，张文泉.海洋环境自动监测的重要手段——小型多参数海洋环境监测浮标[J].气象水文海洋仪器，2004（3）：20-25.
[3]李民，范秀涛，刘世萱.大型海洋环境监测浮标的研究与应用[J].中国科技成果，2012，13（8）：15-17.
[4]刘岩，王昭正.海洋环境监测技术综述[J].山东科学，2001，14（3）：30-35.
论文作者:王文浩
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/4
标签：浮标论文; 吃水线论文; 升力论文; 浮力论文; 网格论文; 稳定性论文; 环境监测论文; 《基层建设》2017年第24期论文;