自返式微型地?zé)崽结標(biāo)逻\動及貫入特性分析

徐向上，馮志濤，張選明，賈立雙，李 墨

(國家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

自返式微型地?zé)崽结標(biāo)逻\動及貫入特性分析

徐向上，馮志濤，張選明，賈立雙，李 墨

(國家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

自返式微型地?zé)崽结標(biāo)逻\動特性以及其貫入深度關(guān)系到其能否正常入泥工作，針對自返式微型地?zé)崽结樀慕Y(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行簡化，建立物理模型。并針對海洋流場及海洋底質(zhì)，抽取關(guān)鍵參數(shù)，建立探針投放過程中的流場模型和底質(zhì)模型。將所建立模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件，先分析探針在投放過程中豎直方向和水平方向的相關(guān)運動特性，然后擬合為探針下行過程中下行深度和橫向漂移的軌跡圖，可見其水平方向最大位移約為106 m。在理論上論證了探針在下行過程中的姿態(tài)穩(wěn)定性。通過計算論證了自返式微型探針在依靠自身重力的情況下，自動貫入海底沉積物進(jìn)行熱流測量工作方式的可行性。并在最后通過海上試驗，對分析結(jié)果進(jìn)行了實踐驗證。

自返式；地?zé)崽结?；海底熱流；運動特性；貫入特性

海底熱流是進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造研究、石油資源的成熟度研究及物理環(huán)境的評價，特別是新型能源——天然氣水化合物調(diào)查等不可缺少的重要基礎(chǔ)資料[1]。而地?zé)崽结樖沁M(jìn)行海底熱流探測的專用設(shè)備，它依靠自重將集成有感溫元件和電加熱絲的探針貫入海底沉積物中，進(jìn)行溫度梯度和沉積物熱導(dǎo)率的原位測量，從而間接實現(xiàn)海底熱流的測量[2-3]。在自然科學(xué)基金的支持下，研制了一種自返式微型地?zé)崽结?，它采用微型化、自返式設(shè)計，小巧輕便，可進(jìn)行機(jī)載和艦載的投棄式布放。經(jīng)合理設(shè)計重心、浮心布局，探針投放入水后，可自動調(diào)整姿態(tài)直至達(dá)到穩(wěn)定垂直，并保持垂直姿態(tài)向下運動，以足夠的速度貫入海底沉積物中。探針順利貫入沉積物是實現(xiàn)熱流探測的前提，對探針入水后的運動特性進(jìn)行了仿真，并對其水下的運動姿態(tài)進(jìn)行了校核，分析其投放過程中各階段的運動參數(shù)，論證了其自動貫入沉積物進(jìn)行熱流探測的可行性。

1 探針物理模型及環(huán)境簡化模型

1.1探針結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

自返式探針結(jié)構(gòu)主要包括返回艙、釋放機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集艙、配重塊、測溫針和探桿等部分。探針結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文設(shè)計的自返式探針總質(zhì)量為32 kg，體積為0.004 8m3，返回艙為圓柱型艙體，外徑120 mm，高640 mm，采用超硬鋁材料制成，以最大限度降低自重。返回艙頂端安裝圓柱形天線，采用POM材料；自動釋放機(jī)構(gòu)高度為27.5 mm，不銹鋼材料制成；數(shù)據(jù)采集艙為圓柱型艙體，外徑120 mm，高度170 mm；配重塊為圓錐體設(shè)計，內(nèi)部灌鉛，增加自重同時使得探針整體重心下移。下端倒角，其目的是降低水阻；測溫針為外徑6 mm，管內(nèi)充入硅油；探桿為直徑30 mm、長度625 mm、壁厚4 mm的不銹鋼管，管內(nèi)充入鉛；支架上有2個卡扣，作為測溫針固定之用。

圖1 探針結(jié)構(gòu)Fig. 1 The structure of the probe

1.2建立探針物理模型

探針結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對探針進(jìn)行運動特性分析之前，有必要對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行抽取，并建立簡化的物理模型。由于本文探針頂端天線、釋放機(jī)構(gòu)、測量針、卡扣等結(jié)構(gòu)對于計算結(jié)果影響較小，因此對上述細(xì)節(jié)部分進(jìn)行了合理的簡化。探針物理模型的艙體為兩段式設(shè)計，模型其內(nèi)部為實心，密度均勻材質(zhì)，進(jìn)行模型簡化后，利用式(1)提取艙體的平均密度。

式中：M艙體為艙體總質(zhì)量，V為艙體體積。經(jīng)過計算可知返回艙模型平均密度為2.97 g/cm3，數(shù)據(jù)采集艙模型平均密度為4.125 g/cm3。探針的物理模型外徑為120 mm，對探針部分進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)提取，可忽略測溫針的影響，將測溫針與探桿部分合并，簡化模型為外徑30 mm的圓柱，前端設(shè)計為尖端。經(jīng)計算其總體平均密度為經(jīng)計算為6.8 g/cm3。對探針的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理簡化，從而抽取得到其物理簡化模型如圖2所示。

圖2 抽取關(guān)鍵參數(shù)后的探針簡化物理模型Fig. 2 The simplified physical model of the probe after extracting the key parameters

1.3環(huán)境參數(shù)分析及其簡化模型

探針在下行過程中，同時受海流和海浪的影響，因此，建立海洋流場模型十分必要。具體海洋流場參數(shù)如表1所示。本文的分析過程是針對表1所示的海洋流場，探針在投放后，在海水中下落，因此不同海況對探針運動特性的影響并不大。

表1 海洋流場參數(shù)Tab. 1 Ocean flow field parameters

為便于仿真計算，本文設(shè)定海洋流場環(huán)境為理想環(huán)境，同水深流速一致。探針下落至海底，設(shè)定海底沉積物底質(zhì)為塑性沉積物，探桿側(cè)壁受到海底沉積物的摩擦力。針對不同沉積物的密度和類型， 根據(jù)經(jīng)驗[4-5]，將沉積物底質(zhì)簡化模型選取4種沉積物底質(zhì)簡化模型：Fy=0.6 t/m2、Fy=0.7 t/m2、Fy=0.8 t/m2、Fy=0.9 t/m2，F(xiàn)y即探桿側(cè)壁單位摩擦力。對四種不同的沉積物底質(zhì)分別展開探針的入泥深度分析。

2 探針下行過程運動特性分析

2.1探針下行過程受力分析

探針在布放時，是在船上由吊臂以吊放的方式釋放，探針自由落體投入海水中，在探針下落的過程中，豎直方向上受到重力、自身浮力、海水阻力，水平方向上受到波浪力和海流力的作用，由此可以建立探針在水中下落過程的運動方程：

2.2計算水平方向波流力計算

探針下落過程中，作用在探針單位長度上的水動力包括波浪力和海流力，采用莫里森公式[6]進(jìn)行計算，如公式(4)所示。

探針在海水中，波浪引起水質(zhì)點作軌圓運動，根據(jù)線性波理論，對深水情況，不同水深處由波浪引起的水質(zhì)點水平分速度為：

海流引起的水質(zhì)點水平分速度為：

將式(5)、(6)、(7)代入式(4)，可得到探針單位長度上的波流力。

2.3探針加速階段周圍流場分布分析

將2.2節(jié)簡化后的探針三維模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件，選擇大于模型5倍的區(qū)域作為流體仿真區(qū)域，并進(jìn)行合理的網(wǎng)格離散。探針計算網(wǎng)格劃分見圖3。根據(jù)探針的使用環(huán)境和下落時的實際情況合理選擇流體仿真的邊界條件，再導(dǎo)入計算流體力學(xué)軟件，進(jìn)行探針運動流場模擬。

圖3 探針網(wǎng)格劃分圖Fig. 3 The mesh of the probe

在探針投放后，選取2 m/s、6 m/s、8 m/s作為典型值進(jìn)行計算，分析不同速度下探針周圍的流場分布變化規(guī)律。圖4為經(jīng)過仿真計算得到的流場分布圖。由圖可見，在不同下行速度下，探針周圍流場分布基本類似，只是伴隨速度增大，在探針外輪廓的拐角處形成的渦流速度亦會隨之增大。但是，探針周圍流場分布基本對稱，未發(fā)現(xiàn)流場分離的現(xiàn)象，由此可以推斷現(xiàn)有探針的外形設(shè)計是符合流體力學(xué)原理的，可有效避免下行過程中的抖動。流場在探針的尖端基本未發(fā)現(xiàn)有大幅的流速降低，在探針和配重進(jìn)行過渡的拐角處，壓力值變小，而在配重和儀器艙的拐角處，則出現(xiàn)了流體壓力的劇增，當(dāng)流體流經(jīng)末端時，產(chǎn)生了一個低壓區(qū)，為改善這一狀況，尾端需進(jìn)一步完善設(shè)計，加入導(dǎo)流裝置。

圖4 不同速度探針?biāo)俣仍茍DFig. 4 The speed of the probe at different speeds

2.4下行阻力計算

探針投放后，在自身重力的作用下進(jìn)入海水中，此時由于受到自身重力和浮力的作用，豎直方向的速度不斷增長。同時，探針在水中運動也受到海水的阻力，其所受阻力分為形狀阻力和摩擦阻力，形狀阻力與探針外形和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)有關(guān)，摩擦阻力系數(shù)則取決于雷諾數(shù)和探針表面積，且其總的阻力大小與其豎直方向速度成正相關(guān)關(guān)系[7]。

探針在海水中下落阻力計算公式：

式中：Cd為阻力系數(shù)；S為探針迎流面面積；v為探針運動速度。

圖5 下行阻力隨探針運動速度變化曲線Fig. 5 The descending resistance varies with the velocity of the probe

自返式探針投放階段，是由絞車吊放至海面利用釋放鉤進(jìn)行投放的，因此，其入水初速度可視為0。在此前提下，對不同速度的探針的阻力系數(shù)和下行阻力進(jìn)行計算，以探針下落速度為2 m/s時為例，其水阻系數(shù)約為0.41，此時探針?biāo)芟蛏系乃枇s為6.88 N。對計算的多個點進(jìn)行擬合，即可獲得探針下行速度與下行阻力關(guān)系曲線，如圖5所示。

2.5下行過程運動過程仿真

1) 入水深度為0～47.5 m之間，探針豎直方向速度不斷增大。在47.5 m時，探針豎直方向上自身重力(Mg)等于自身浮力(Fρ)與下行阻力(Fd(t))之和，豎直方向達(dá)到受力平衡狀態(tài)，速度達(dá)到極限值，大小為10.88 m/s，其速度與深度變化曲線如圖7所示。探針的速度—下落距離曲線的斜率是逐步增大直至恒定為無窮大的過程，亦即在此過程其加速度是逐步減小直至為0的。

2) 入水深度47.5～2 000 m之間，豎直方向速度保持勻速，大小為10.88 m/s。仿真得到探針豎直方向上位移隨時間的變化的曲線，如圖8所示，可見在此階段，下落距離—速度之間斜率恒定，說明豎直方向為勻速狀態(tài)。在水深2 000米的環(huán)境中，從投放入水直至觸底階段，整個下行過程約需要184.7 s。

依據(jù)式(4)，使用MATLAB計算出探針?biāo)椒较蛩俣扰c位移關(guān)系曲線，由計算結(jié)果圖9、圖10可知入水深度0～150 m時，水平方向速度變化劇烈，150～2 000 m時，水平方向速度變化相對平緩。由此可知，探針入水150 m后，波浪對于探針的影響極其微弱，所以海況對于探針的運動特性影響并不大。圖11為水平漂移隨時間變化的曲線圖，圖12為探針下行過程中下行深度和橫向漂移表示的軌跡圖，可見其水平方向最大位移約為106 m。由于探針沒有集成水下定位裝置，水平方向最大位移的確定可有效確定地?zé)崽结樀目赡芴綔y范圍，而在地?zé)崽綔y中106米的定位誤差在可接受范圍內(nèi)，因此，探針進(jìn)行投棄式熱流調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)是有效且具有代表性的。

圖6 探針豎直方向速度曲線Fig. 6 The vertical velocity curve of the probe

圖7 前50 m探針豎直方向速度變化Fig. 7 Probe in the first 50 meters of the vertical direction of the speed change map

圖8 探針豎直方向位移隨時間變化Fig. 8 The vertical displacement of the probe changes with time

圖9 探針?biāo)椒较蛩俣茸兓疐ig. 9 The change of the horizontal velocity of the probe

圖10 前200 m探針?biāo)椒较蛩俣茸兓疐ig. 10 The probe changes in the horizontal direction of the first 200 meters

圖11 探針?biāo)椒较蛭灰齐S時間變化Fig. 11 The horizontal displacement of the probe changes with time

圖12 探針下落軌跡Fig. 12 The falling path of the probe

2.6探針下行過程中的穩(wěn)定性校核

探針在下行過程中，豎直方向上和水平方向上均受力，其穩(wěn)定性受力分析如圖13所示。

圖13 探針姿態(tài)穩(wěn)定性受力分析Fig. 13 Analysis of attitude stability of probe

探針重心和浮心的位置按以下公式求出。

穩(wěn)心高：

為了使探針能夠保持針頭向下的姿態(tài)，則必須有hgt;0，即重心位置應(yīng)低于浮心位置。然而，根據(jù)探針受力示意圖可知，在淺海區(qū)域會受到海流給予的水平方向上的力FL，產(chǎn)生了使探針發(fā)生傾斜的力矩。

探針在下行過程中，受到波流力的干擾，姿態(tài)會發(fā)生變化。首先，當(dāng)探針在波流力FL作用下發(fā)生傾斜時，重心和浮心之間將有一個水平距離，由于重心在下，且探針重力Ggt;浮力Fc，因此會產(chǎn)生一個促使探針恢復(fù)其原始位置的恢復(fù)力矩，從而使探針保持豎直姿態(tài)。

3 探針貫入特性分析

探針下落至海底后，會插入海地沉積物中，對于探針的入泥深度，利用能量守恒定律進(jìn)行計算

式中：Ek為探針動能；EP為探針勢能；W為沉積物阻力做功。

沉積物阻力包括樁端阻力及側(cè)壁摩阻力。樁端承載力取150 kPa，而側(cè)摩阻力隨入泥深度變化，因此沉積物阻尼做功為

式中：A為樁端面積，m2；f(z)為沉積物側(cè)摩阻力，N。

探針入泥過程分為兩個階段，首先是測溫針和支架入泥，樁端面積為測溫針截面積A1和支架截面積A2之和，然后探針配重部分入泥，其截面積為A3。其中測溫針截面積A1和支架截面積A2之和為0.000 76 m2，探針配重部分截面積A3為0.011 m2。第一階段入泥深度為0.62 m，第二階段入泥深度為h2，探針入泥總深度為(h2+0.62)m，在此基礎(chǔ)上，將式(10)、式(11)代入MATLAB計算，可以得到入泥深度隨時間變化和入泥速度隨時間變化的情況。

以海底沉積物模型Fy=0.6 t/m2為例，計算可得入泥深度隨時間變化和入泥速度隨時間變化情況如圖14、圖15所示。探針在入泥深度0～0.62 m時(即入泥第一階段)，速度變化很小，用時約為0.072 s；探針在入泥深度為0.62～0.94 m時(即入泥第二階段)，探針配重部分開始入泥，速度減小明顯?？梢钥闯?，探針最大入泥深度為0.94 m，入泥深度滿足探針正常測溫與返回艙釋放的需求，因此，探針入泥成功。經(jīng)計算可知，側(cè)壁摩阻力參數(shù)分別為Fy=0.6 t/m2、Fy=0.7 t/m2、Fy=0.8 t/m2、Fy=0.9 t/m2時，探針均能完全入泥。

圖14 探針入泥速度隨時間變化圖Fig. 14 The velocity of the probe changes with time

圖15 探針入泥深度隨時間變化圖Fig. 15 The depth of the probe into the mud with time

4 自返式微型地?zé)崽结樅Ｉ县炄朐囼?/h2>

自返式微型地?zé)崽结樤?016年12月進(jìn)行了海上試驗，經(jīng)過3次試驗，相關(guān)實驗記錄如表2所示。探針在實際使用時，探針在數(shù)據(jù)采集完成后，通過預(yù)先設(shè)定的程序通電熔斷電解絲，電解絲熔斷后，返回艙在自身浮力的作用下浮至海面，返回艙內(nèi)部帶有定位裝置，回收人員據(jù)此將其找到后回收。但在海試階段，為了節(jié)省成本，將探針數(shù)據(jù)采集部分(探桿、配重、數(shù)據(jù)采集艙等)用繩子系住，在試驗完成后，將其從海底拔出。預(yù)先在探桿側(cè)壁等間距加工凹槽，間距5 cm，通過觀察凹槽中的沉積物殘留，可推測探針的入泥深度。

圖16 探針海試組圖Fig. 16 A set of photographs of the probe′s ocean experiment

同時，探針內(nèi)部電路集成了傾角傳感器和加速度傳感器，用于在試驗過程中完成探針的觸底監(jiān)控和傾角采集。下行過程中，加速度傳感器一旦感應(yīng)到探針觸底，經(jīng)過一定延時待探針姿態(tài)穩(wěn)定后，連續(xù)采集3次系統(tǒng)的傾角數(shù)據(jù)并進(jìn)行平均得到其傾角值。試驗結(jié)果證明，微型地?zé)崽结樤诤Ｉ瞎ぷ鞣€(wěn)定可靠，可順利貫入沉積物中，且貫入深度適中，探針傾角在有效范圍內(nèi)。

表2 探針海上貫入試驗記錄Tab. 2 Seawater penetration test record of the probe

5 結(jié) 語

將針對自返式微型探針進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡化，建立探針物理模型，并搭建典型海洋流場和海底沉積物物理模型，進(jìn)行了軟件仿真分析，完成其下行階段和貫入沉積物階段受力分析，并根據(jù)結(jié)果分析了各個階段談針的運動特性。此后進(jìn)行了穩(wěn)定性校核和貫入深度的探討，驗證了自返式微型探針自動投放自動返回這一工作方式是可行的。

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Analysis of underwater motion characteristics and penetration characteristics of mini heat flow probe

XU Xiangshang, FENG Zhitao, ZHANG Xuanming, JIA Lishuang, LI Mo

(National Ocean Technology Centre, Tianjin 300112, China)

The underwater movement characteristics and depth of penetration of mini heat flow probe are related to its normal work into the mud. The structure of the mini heat flow probe is simplified and the physical model is established. And for the ocean flow and marine sediment, the key parameters are extracted, and the model of the probe flow process and the sediment is established. Data analysis software is introduced, and the relevant motion characteristics of the probe in the vertical and horizontal directions during the process are analyzed. Then, the trajectory of the downstream depth and the lateral drift in the downstream of the probe is fitted, and the maximum displacement in the horizontal direction is found to be about 106 m.In this paper, the attitude stability of the probe in the downstream process is proved theoretically. It is proved that the self-starting miniature probe can automatically penetrate the seabed sediments to study the working mode of heat flow measurement in the case of its own gravity. And finally through the sea test, the results of the analysis are rerified.

self-starting; heat flow probe; submarine heat flow; movement characteristics; pemetration characteristic

1005-9865(2017)06-0134-09

P736.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.016

2017-04-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(41306093)；海洋公益性行業(yè)科研專項資助項目(201405006-2)

徐向上(1994-)，男，安徽淮北人，碩士研究生，主要研究方向為海洋環(huán)境監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail:18222501712@163.com

馮志濤。E-mail: arzhi2008@163.com