海洋溫差能驅(qū)動(dòng)的水下監(jiān)測(cè)裝置水動(dòng)力學(xué)特性研究

梁澤德，王樹(shù)杰，王慶永

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

海洋溫差能驅(qū)動(dòng)的水下監(jiān)測(cè)裝置水動(dòng)力學(xué)特性研究

梁澤德1，2，王樹(shù)杰2，王慶永1

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

以海洋溫差能驅(qū)動(dòng)的垂直運(yùn)動(dòng)水下監(jiān)測(cè)裝置為研究對(duì)象，通過(guò)MATLAB/Simulink仿真，對(duì)運(yùn)動(dòng)階段下的運(yùn)動(dòng)基本方程進(jìn)行了數(shù)值求解。結(jié)果表明：在設(shè)定情況下，水下監(jiān)測(cè)裝置從水面下潛到500 m所需時(shí)間約為2 900 s；水下監(jiān)測(cè)裝置從深約500 m上浮到海面所需時(shí)間約為2 890 s；水下監(jiān)測(cè)裝置水下運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨阻尼盤(pán)直徑的增大略有增加，這有利于相變材料的相變過(guò)程特別是凝固過(guò)程順利完成，但是隨著阻尼盤(pán)直徑的增大，浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功耗也增大，通過(guò)綜合比較認(rèn)為阻尼盤(pán)直徑為50 cm比較合適。

水下監(jiān)測(cè)裝置；海洋溫差能；水動(dòng)力學(xué)分析；剖面探測(cè)；數(shù)值計(jì)算

傳統(tǒng)的水下監(jiān)測(cè)裝置如Argo浮標(biāo)多采用電池組作為能量元件[1-3]，而本文的研究對(duì)象即海洋溫差能驅(qū)動(dòng)的水下監(jiān)測(cè)裝置的能量來(lái)源是海洋溫差能，水下監(jiān)測(cè)裝置在海洋溫躍層之間垂直上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，期間低熔點(diǎn)相變材料發(fā)生固液相變體積變化，該裝置通過(guò)由相變材料體積變化蓄積的能量傳遞液體流經(jīng)微型液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)一并旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能供給裝置所攜觀測(cè)儀器和裝置電路控制系統(tǒng)[4-5]，其中相變過(guò)程能否順利進(jìn)行與水下裝置的水動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。

典型的Argo剖面浮標(biāo)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用單柱塞泵浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和齒輪泵浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[6-8]。無(wú)論是單柱塞泵系統(tǒng)還是齒輪泵系統(tǒng)，都要消耗電能，但本文設(shè)計(jì)的海洋溫差能驅(qū)動(dòng)水下監(jiān)測(cè)裝置的浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要消耗電能，而是通過(guò)蓄積在蓄能器的能量傳遞液體克服設(shè)定水深處壓力流入外囊增大水下監(jiān)測(cè)裝置排水體積和利用外、內(nèi)囊壓力差驅(qū)動(dòng)能量傳遞液體從外囊流入內(nèi)囊減小裝置排水體積，從而改變裝置浮力，實(shí)現(xiàn)水下監(jiān)測(cè)裝置自動(dòng)沉浮。水下監(jiān)測(cè)裝置外囊體積增大過(guò)程與裝置發(fā)電過(guò)程相耦合，即該過(guò)程的水動(dòng)力學(xué)特性受到裝置發(fā)電過(guò)程的影響和制約。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了水下監(jiān)測(cè)裝置各運(yùn)動(dòng)階段，建立并數(shù)值求解了3種不同工況下各運(yùn)動(dòng)階段的基本方程，并對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了分析和比較，為裝置的實(shí)際水下運(yùn)動(dòng)提供理論依據(jù)。

1 水下運(yùn)動(dòng)基本方程

1.1 坐標(biāo)系及受力分析

選擇靜止的海面為水平參考面，海水深度在參考水平面處為0 m，參考水平面垂直向下為正，裝置的受力、速度及加速度和位移的正方向均向下。水下監(jiān)測(cè)裝置受力及運(yùn)動(dòng)分析是基于以下幾個(gè)假設(shè)[9]:

1) 運(yùn)動(dòng)分析中，由于水下監(jiān)測(cè)裝置外形尺寸與水下行程相比可忽略不計(jì)，在此把裝置當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)；

2) 受力分析中, 忽略監(jiān)測(cè)裝置水下運(yùn)動(dòng)的橫向位移, 只分析裝置的縱向運(yùn)動(dòng);

3) 認(rèn)為水下監(jiān)測(cè)裝置在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持豎直姿態(tài)，即做垂直運(yùn)動(dòng)；

4) 海洋0～500 m之間海水密度保持不變。

坐標(biāo)系及受力分析如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系及受力分析

重力:

G=m·g

(1)

式中,m為水下監(jiān)測(cè)裝置的總質(zhì)量，m=70 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

浮力：

Fb=ρ·g·V

(2)

式中,ρ為海水平均密度，ρ=1 025 kg/m3；V為裝置的排水體積。

總阻力包括水下監(jiān)測(cè)裝置的摩擦阻力(Ff)、阻尼盤(pán)的形狀阻力(FDp)以及外皮囊護(hù)罩的形狀阻力(FDs)三部分。

水下監(jiān)測(cè)裝置的摩擦阻力(Ff)為

(3)

式中,u為裝置下潛或上浮速度；Af為裝置總的濕面積，本文中該值為1.159 m2；Cf為摩擦阻力系數(shù), 其計(jì)算公式為[10]

(4)

(5)

阻尼盤(pán)的形狀阻力(FDp)為

(6)

(7)

外皮囊護(hù)罩的形狀阻力(FDs)為

(8)

式中,As為外皮囊護(hù)罩的特征面積，本文取外皮囊護(hù)罩為近似圓盤(pán)形直徑為20 cm，則As=0.031 4 m2；CDs為外皮囊護(hù)罩形狀阻力系數(shù),本文取CDs=1[10]。所以基于上述條件下的外皮囊護(hù)罩形狀阻力可表示為

(9)

1.2 基本方程

(10)

式中,a為裝置t時(shí)刻的瞬時(shí)加速度；h為t時(shí)間內(nèi)裝置運(yùn)動(dòng)位移。

2 運(yùn)動(dòng)過(guò)程研究

2.1 水下運(yùn)動(dòng)階段分析

初始狀態(tài)是水下監(jiān)測(cè)裝置漂浮在海面上, 外皮囊保持最大體積油量, 此時(shí)裝置部分體積暴露在水面以上，即裝置在海表面處儲(chǔ)備一定量的浮力。指令發(fā)出后, 電磁閥動(dòng)作, 部分體積的能量傳遞介質(zhì)在外、內(nèi)皮囊壓差的驅(qū)動(dòng)下從外皮囊流入裝置內(nèi)部的內(nèi)皮囊, 裝置開(kāi)始沒(méi)入水面以下、總排水體積逐漸減小，裝置做變加速下潛運(yùn)動(dòng), 最終達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的速度(本文設(shè)定為約0.15 m/s)，以上為運(yùn)動(dòng)階段一；由于海水壓力對(duì)水下裝置的影響，使得裝置的圓柱形外殼體積隨深度的增加逐漸減小，裝置做加速度極小的緩慢加速運(yùn)動(dòng)，直至接近設(shè)定深度(本文設(shè)定為500 m)，此為運(yùn)動(dòng)階段二；當(dāng)裝置接近設(shè)定深度時(shí)，電磁閥動(dòng)作, 部分體積的高壓能量傳遞液體從蓄能器流經(jīng)液壓馬達(dá)進(jìn)入外皮囊，使裝置的排水體積明顯增大，裝置做減速運(yùn)動(dòng)，直至末速度為0 m/s，此為運(yùn)動(dòng)階段三；裝置在設(shè)定深度附近作一定時(shí)間的停留，其主要目的是保證相變材料能夠在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中完全凝固，此為運(yùn)動(dòng)階段四；裝置在設(shè)定深度附近作一定時(shí)間的停留后，電磁閥再次動(dòng)作，又有部分體積的高壓能量傳遞液體從蓄能器流經(jīng)液壓馬達(dá)進(jìn)入外皮囊，從而使裝置所受浮力大于重力，裝置開(kāi)始做變加速上浮運(yùn)動(dòng)并最終達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的速度(本文也設(shè)定為約0.15 m/s)，以上為運(yùn)動(dòng)階段五；同樣由于壓力對(duì)平臺(tái)的影響，使得平臺(tái)體積隨深度的減小逐漸增大，平臺(tái)做加速度極小的緩慢加速運(yùn)動(dòng)，直至裝置最上端到達(dá)水面，此為運(yùn)動(dòng)階段六；最后，裝置開(kāi)始浮出水面，最終漂浮在水面上并有部分體積的殼體暴露在水面以上，以保證信息有效的傳輸，此為運(yùn)動(dòng)階段七，裝置在該階段下停留一定的時(shí)間，完成數(shù)據(jù)輸送和相變材料的完全熔化，等待新的指令。

2.2 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中裝置殼體體積變化規(guī)律的確定

水下監(jiān)測(cè)裝置在下潛和上浮各運(yùn)動(dòng)模式中，海水壓力都會(huì)對(duì)裝置殼體體積在徑向和軸向兩方面產(chǎn)生一定的影響，影響規(guī)律如下[8]：

(11)

式中,ΔV為裝置殼體因海水壓力導(dǎo)致的體積變化量；δ為殼體厚度，該值本文取為8 mm；Dout為殼體外徑，該值本文取246 mm；l為殼體長(zhǎng)度，該值本文取1 500 mm；Dmdl為殼體中部直徑，Dmdl=(Din+Dout)/2；Din為殼體內(nèi)徑，Din=Dout-2δ；Pout為殼體所受外壓，與裝置所處深度h有關(guān)，即Pout=101 325+ρ·g·h；E為裝置殼體材料的彈性模量，本文選擇LY12硬質(zhì)鋁合金作為殼體材料，該值為7.31×1010Pa。

2.3 各運(yùn)動(dòng)階段下瞬時(shí)加速度的建立

根據(jù)運(yùn)動(dòng)基本方程，建立各運(yùn)動(dòng)階段下瞬時(shí)加速度表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合初始條件，通過(guò)積分，即可得到相應(yīng)的裝置瞬時(shí)速度和位移的表達(dá)式。

2.3.1 運(yùn)動(dòng)階段一瞬時(shí)加速度的建立

(12)

則：

(13)

式中,V為水下裝置排水體積，V=V′+(V01-Q·t)+ΔV，其中V′為裝置除外皮囊以外部分的總體積，本文中該值為67 362 mL，V01為本階段下外皮囊初始體積，ΔV為由于海水壓力使得裝置殼體體積變化量，Q為能量傳遞液體流經(jīng)電磁閥的體積流量，其計(jì)算公式為[10]

(14)

式中,a為流量系數(shù)，本文中該值取0.61；Av為電磁閥的流通面積，本文中該值取4.0×10-6m2；ρoil為能量傳遞液體的密度，本文中取866 kg/m3；Δp為外、內(nèi)皮囊的壓差，本文中內(nèi)皮囊壓力取半個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的真空度，所以海平面附近的該壓差約為0.06 MPa。將上述參數(shù)代入，求得Q=28.72 mL/s。

2.3.2 運(yùn)動(dòng)階段二瞬時(shí)加速度的建立

(15)

式中,V為水下裝置排水體積，V=V′+V02+ΔV，V02為本階段下外皮囊初始體積。

2.3.3 運(yùn)動(dòng)階段三瞬時(shí)加速度的建立

(16)

式中,V為水下裝置排水體積，V=V′+(V03+Qs·t)+ΔV，V03為本階段下外皮囊初始體積，Qs為能量傳遞液體從蓄能器流出經(jīng)液壓馬達(dá)進(jìn)入外皮囊的瞬時(shí)體積流量，由本階段的發(fā)電系統(tǒng)決定。

2.3.4 運(yùn)動(dòng)階段四瞬時(shí)加速度的建立

2.3.5 運(yùn)動(dòng)階段五瞬時(shí)加速度的建立

(17)

式中,V為水下裝置排水體積，V=V′+(V05+Qs·t)+ΔV，V05為本階段下外皮囊初始體積，Qs為能量傳遞液體從蓄能器流出經(jīng)液壓馬達(dá)進(jìn)入外皮囊的瞬時(shí)體積流量，由本階段的發(fā)電系統(tǒng)決定。

2.3.6 運(yùn)動(dòng)階段六瞬時(shí)加速度的建立

(18)

式中,V為水下裝置排水體積，V=V′+V06+ΔV，V06為本階段下外皮囊初始體積。

2.3.7 運(yùn)動(dòng)階段七瞬時(shí)加速度的建立

(19)

3 數(shù)值求解及分析

以上各階段的瞬時(shí)加速度表達(dá)式為一階非線(xiàn)性微分方程，無(wú)法求得解析解，本文通過(guò)MATLAB/Simulink仿真，數(shù)值求解3種工況下各模式的加速度、速度和位移等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并對(duì)不同直徑阻尼盤(pán)的影響進(jìn)行比較分析，設(shè)定的3種工況如表1所示。

表1 三種工況的設(shè)定 Table 1 Settings of 3 working conditions

3.1 下潛過(guò)程分析

裝置在下潛中主要分兩個(gè)過(guò)程：第一個(gè)過(guò)程是從水面加速下潛到設(shè)定深度；第二個(gè)過(guò)程是到達(dá)設(shè)定深度后迅速減速下潛直至停止。

3.1.1 加速下潛過(guò)程分析

各工況下水下裝置下潛速度和位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖2和圖3所示，該過(guò)程最重要的信息是從水面下潛到設(shè)定深度所需時(shí)間以及下潛過(guò)程的速度分布。

從圖2和圖3可以看出：設(shè)定情況下，裝置從水面下潛到500 m所需時(shí)間，隨阻尼盤(pán)直徑的增大略有增加，分別從2 840 s增加到2 900 s和2 955 s，相應(yīng)的平均下潛速度分別從0.176 m/s下降到0.172 m/s和0.169 m/s；該下潛過(guò)程主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段為加速度較大的加速下潛階段。在這個(gè)階段初期，外皮囊中的部分能量傳遞液體較快的壓入裝置殼體內(nèi)的內(nèi)皮囊，使得裝置所受浮力減小較快，該階段持續(xù)時(shí)間3種工況相近約為30 s，速度從0 m/s增加到約0.15 m/s，這一階段即為運(yùn)動(dòng)階段一過(guò)程；第二階段為加速度極小的緩慢加速下潛階段，這一階段是該過(guò)程的主體階段，因?yàn)殡S著裝置的下潛，水壓力逐漸升高，裝置總的排水體積緩慢減小，凈浮力緩慢增加，這一階段即為階段二過(guò)程。

圖2 運(yùn)動(dòng)階段一和階段二中位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖3 運(yùn)動(dòng)階段一和階段二中速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.1.2 減速下潛過(guò)程分析

各工況下裝置下潛速度和位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖4和圖5所示，該過(guò)程受到發(fā)電過(guò)程的影響，最重要的信息是裝置從設(shè)定深度處減速下潛直到停止所需時(shí)間以及該下潛過(guò)程的位移。

從圖4和圖5可見(jiàn)：設(shè)定情況下，裝置從減速下潛直到停止所需時(shí)間，隨著阻尼盤(pán)直徑的增大略有減小，分別從83 s減小到78 s和72 s；此過(guò)程的下潛位移也從2.93 m減小到2.75 m和2.67 m。

圖4 運(yùn)動(dòng)階段三中速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖5 運(yùn)動(dòng)階段三中位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.2 上浮過(guò)程分析

裝置在上浮中主要分兩個(gè)過(guò)程：第1個(gè)過(guò)程是裝置從水下停留處加速上浮到水面，該過(guò)程又由2個(gè)階段組成，分別是從初速度為0 m/s較快加速到0.15 m/s階段和從速度0.15 m/s緩慢加速到約0.19 m/s階段；第2個(gè)過(guò)程是裝置開(kāi)始浮出水面直到漂浮在水面上。

3.2.1 加速上浮過(guò)程分析

加速上浮的第1階段，各工況下裝置上浮速度和位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖6和圖7所示，該過(guò)程受到發(fā)電過(guò)程的影響和制約。從圖中可以看出：設(shè)定情況下，裝置從靜止?fàn)顟B(tài)加速到0.15 m/s，3種不同工況所需時(shí)間相近均為25 s，上浮位移約為2.75 m，該階段即為運(yùn)動(dòng)階段五過(guò)程。

圖6 運(yùn)動(dòng)階段五中速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖7 運(yùn)動(dòng)階段五中位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

加速上浮的第2階段，即為加速度極小的緩慢加速上浮階段，這一階段是整個(gè)加速上浮過(guò)程的主體階段，這是因?yàn)殡S著裝置的上浮，裝置所受水壓力逐漸減小，其總的排水體積緩慢增加，這一階段即為階段六過(guò)程。該階段各工況的上浮速度和位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖8和圖9所示。

圖8 階段六中位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖9 階段六中速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

從圖8和圖9可以看出：設(shè)定情況下，階段從500 m左右水深處上浮到海面所需時(shí)間，隨阻尼盤(pán)直徑的增大略有增加，分別從2 830 s增加到2 890 s和2 945 s，平均上浮速度分別從0.177 m/s下降到0.173 m/s和0.170 m/s。

3.2.2 浮出水面并穩(wěn)定漂浮在水面過(guò)程分析

各工況下裝置位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖10所示。從圖中可以得出：裝置在3個(gè)不同工況下的運(yùn)動(dòng)情況非常接近，3條曲線(xiàn)幾乎重合在一起，其位移均為振蕩衰減，經(jīng)過(guò)約300 s后裝置基本穩(wěn)定在水面以上0.03～0.04 m，即監(jiān)測(cè)裝置殼體最高部分在水面以上約3～4 cm處，這一階段即為階段七過(guò)程，這樣可以保證監(jiān)測(cè)裝置最頂端長(zhǎng)約1 m的天線(xiàn)全部露出水面，這對(duì)監(jiān)測(cè)裝置信號(hào)的發(fā)送與接收是十分有利和必要的。

圖10 運(yùn)動(dòng)階段七中位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.3 三工況影響對(duì)比分析

通過(guò)上面的結(jié)果不難看出：裝置無(wú)論是從水面下潛到設(shè)定深度，還是從設(shè)定深度上浮到水面，所需時(shí)間均隨阻尼盤(pán)直徑的增大而有所增大，但增加的幅度不大。水下停留時(shí)間的增大，更有利于相變材料的相變過(guò)程特別是凝固過(guò)程順利完成；但是隨著阻尼盤(pán)直徑的增大，外皮囊的體積變化量(即流入或流出外囊的液壓油量)增大，本文設(shè)定的3種工況中，該值從626 mL增大到712 mL和806 mL，這顯著地增大了裝置浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功耗，是十分不利的。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)垂直運(yùn)動(dòng)水下檢測(cè)裝置如自持式漂流浮標(biāo)體積變化率大于1%本文條件下即674 mL，可以有效的保證水下裝置順利上浮到水面[11],所以通過(guò)綜合比較可以確定，在其他條件相同的前提下，阻尼盤(pán)直徑為50 cm比較合適。

4 結(jié) 論

1)本文設(shè)定情況下，水下監(jiān)測(cè)裝置從海面下潛至設(shè)定深度主要由兩個(gè)下潛過(guò)程組成：①加速下潛過(guò)程，持續(xù)時(shí)間約為2 900 s，平均下潛速度約為0.17 m/s。該過(guò)程主要分兩個(gè)階段，第1個(gè)階段持續(xù)時(shí)間很短，加速度相對(duì)較大；第2階段是加速度極小的緩慢加速下潛階段，是該過(guò)程的主體階段。②減速下潛直到停止過(guò)程，該過(guò)程受裝置發(fā)電系統(tǒng)的影響和制約。

2)水下監(jiān)測(cè)裝置從深水停留位置上浮直到穩(wěn)定漂浮在海面上主要由兩個(gè)過(guò)程組成：①加速上浮過(guò)程，所需時(shí)間約為2 890 s，平均上浮速度約為0.17 m/s。該上浮過(guò)程也主要分兩個(gè)階段：第1個(gè)階段持續(xù)時(shí)間很短，加速度相對(duì)較大，本階段受裝置發(fā)電系統(tǒng)的影響和制約；第2階段是加速度極小的緩慢加速上浮階段，是該過(guò)程的主體階段。②浮出水面直到穩(wěn)定漂浮在水面上，各工況非常接近，裝置最上端高出水面約3～4 cm，保證了裝置最上端的天線(xiàn)全部至少是部分露出水面，有利于信號(hào)傳遞的順利進(jìn)行。

3)水下監(jiān)測(cè)裝置下潛和上浮時(shí)間，隨阻尼盤(pán)直徑的增大略有增加，這有利于相變材料的相變過(guò)程特別是凝固過(guò)程順利完成；此外隨阻尼盤(pán)直徑的增大，外皮囊的體積變化量增大，這顯著地增大了浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功耗，綜合比較認(rèn)為阻尼盤(pán)直徑為50 cm比較合適。

[1] 孫朝輝,劉增宏,朱伯康,等.全球海洋中Argo剖面浮標(biāo)運(yùn)行狀況分析[J].海洋技術(shù),2006,25(3):127-134.

[2] DAVIS R E, WEBB D C, REGIER L A, et al. The autonomous lagrangian circulation explorer(ALACE)[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1992,9(1):264-285.

[3] SHERMAN J, DAVIS R E, OWENS W B. The autonomous underwater glider "spray"[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001,26(4):437-446.

[4] ERIKSEN C C, JAMES OSSE T, LIGHT R D, et al. Seaglider: A long range autonomous underwater vehicle for oceanographic research[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001,26(4):424-436.

[5] WEBB, D C. SLOCUM: An underwater glider propelled by environmental energy[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001，26(4):447-452.

[6] 王世明, 吳愛(ài)平. 液壓技術(shù)在ARGO 浮潛標(biāo)中的應(yīng)用[J].流體傳動(dòng)與控制, 2010,(1):37-40.

[7] HUSSAIN NA A, ARSHAD M R, MOHD-MOKHTAR R. Underwater glider odelling and analysis for net buoyancy, depth and pitch angle control[J].Ocean Engineering, 38(2011):1782-1791.

[8] 孫秀軍.混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔器動(dòng)力學(xué)建模及運(yùn)動(dòng)控制研究[D].天津：天津大學(xué),2011.

[9] 董濤, 楊慶保.自持式剖面循環(huán)探測(cè)漂流浮標(biāo)水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)例分析[J].海洋技術(shù),2006,25(1):20-23.

[10] 龍?zhí)煊?，蔡增?流體力學(xué)(第一版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè),2004：5.

[11] 朱光文.海洋剖面探測(cè)浮標(biāo)技術(shù)的發(fā)展[J].氣象水文海洋儀器,2004,(2):1-6.

Hydrodynamic Characteristics of Underwater Monitoring Devices Driven by Ocean Thermal Energy

LIANG Ze-de1,2, WANG Shu-jie2, WANG Qing-yong1

(1.CollegeofArchitectureEngineering,QingdaoAgricultureUniversity, Qingdao 266109, China； 2.CollegeofEngineering,OceanUniversityofChina, Qingdao 266100, China)

The underwater monitoring devices moving vertically and driven by ocean thermal energy are taken as the research object and numerical solution has been done for basic motion equations at different movement stages through MATLAB/Simulink simulation. The results show that under the given conditions it takes about 2 900 s for the underwater monitoring devices submerging from the surface down to 500 m deep, and it takes about 2 890 s for the underwater monitoring devices rising from the 500 m deep upward to the surface. The time for the underwater monitoring devices moving in water increases slightly with the increase of the diameter of damping plate, which is beneficial to the phase transition of phase-change material, particularly to the completing of solidification. With the enlargement of the damping plate diameter, however, the power consumption of buoyancy system increases. Through a comprehensive comparison, 50 cm is considered to be suitable for the damping plate diameter.

underwater monitoring device; ocean thermal energy; hydrodynamic analysis; profile detection; numerical calculation

1002-3682(2015)03-0064-13

2015-02-07

梁澤德(1977-)，男，博士，主要從事可再生能源利用方面研究.E-mail：liangzede1977@126.com(王佳實(shí) 編輯)

P715

A