胡 穎，萬隆君,2*，徐軼群,2

（1.集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué) 福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021）

近海小尺度表層流水動力學(xué)參數(shù)可幫助人們了解赤潮擴散[1]、泥沙運移機制等自然現(xiàn)象[2-3]，也可追溯海洋垃圾和污染物排放源頭，評估海洋污染，監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境[4]，提高漁民捕撈效率，快速尋找失水人員實施救助等[5]。本論文研究了一種可拋棄式水動力監(jiān)測微型浮標(biāo)，通過一定數(shù)量的放置，隨海流同步漂移，周期性將位置、流速和浪高等數(shù)據(jù)通過自組網(wǎng)傳送到岸端大數(shù)據(jù)公共服務(wù)平臺，對開展表層水動力學(xué)研究具有重要的意義[6-7]。

目前，大多數(shù)海洋移動觀測平臺采用衛(wèi)星通信和GPRS通信方式。李文彬等[8]在2011年設(shè)計了基于新一代Argos衛(wèi)星的表層漂流浮標(biāo)；張少永等[9]在2014年設(shè)計了基于北斗系統(tǒng)的C-Argo浮標(biāo)；孔佑迪等[10]在2015年設(shè)計了基于銥星通信應(yīng)用于海洋環(huán)境在線監(jiān)測的漂流浮標(biāo)。Argos系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性差，需衛(wèi)星過頂后才能傳輸數(shù)據(jù)；北斗系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和安全性有所提高，但通信范圍受限，在一些偏遠海域，運營商基站無法覆蓋的區(qū)域無法通信；銥星通信覆蓋面廣、傳輸速率高，但通信成本高。一些浮標(biāo)采用GPRS通信方案實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)的傳輸，但GPRS模塊功耗大，且按照流量計費[11]。在結(jié)構(gòu)方面，海洋表面漂流浮標(biāo)主要由標(biāo)體和水帆組成，目前學(xué)者的研究主要集中在浮標(biāo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及水帆材料的改進。王鵬等[12]在2017年設(shè)計了一種浮標(biāo)體為葫蘆型的表層漂流浮標(biāo)，減少浮標(biāo)體對水帆運動的影響；張繼明等[13]在2018年對浮標(biāo)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高了浮標(biāo)的穩(wěn)性和耐波性，但浮標(biāo)體積重量較大，無法一次性大量布放，采集精度低，且回收困難。

近年來，測流方式主要有浮標(biāo)法和流速儀法。傳統(tǒng)的浮標(biāo)法測流是通過人工記錄浮標(biāo)漂浮相隔定點距離所需的時間，按照直線距離計算，但浮標(biāo)在實際運動過程中受到風(fēng)速水速的影響軌跡并不是直線，計算距離和實際距離之間存在誤差，且由于人工記錄，受人腦反應(yīng)時間影響，存在較大誤差[14]；傳統(tǒng)的機械式流速儀屬于單點式測量儀，只能采集固定點的流速，近年來多采用ADCP（多普勒流速剖面儀）測流，ADCP可以測量其所處位置垂直剖面的多個測量點的流速，其測流方式有固定式和走航式，固定式只能測量某一固定位置垂直剖面的流速，測量范圍受限，而走航式是將ADCP固定在船上，隨著船的運動軌跡測流，流速測量值受到船速的影響，且無法反應(yīng)海流的流向[15]。

為了解決現(xiàn)有浮標(biāo)通信成本高、功耗高、傳輸距離受限以及以往測流方式無法在反映海流流速、流向的同時精細化采集海流流速等問題，本文設(shè)計并制作了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)LoRa機制無線傳輸可拋棄式、不回收水動力監(jiān)測微型浮標(biāo)。文中運用Ansys Workbench對浮標(biāo)水動力特性進行仿真研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高浮標(biāo)的穩(wěn)定性；還通過仿真和水槽實驗對比分析，確定浮標(biāo)的最優(yōu)舵葉尺寸。實驗證明，可拋棄式微型浮標(biāo)對海洋表層流研究具有實際應(yīng)用價值。

1 帶減搖鰭和舵葉的微型浮標(biāo)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

浮標(biāo)法測流的核心是以浮標(biāo)的流速和流向表征海表的流速和流向。通過對浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，增強微型浮標(biāo)漂流的穩(wěn)定性，使浮標(biāo)體能較好地反映海洋表層流水動力學(xué)參數(shù)。增加減搖鰭結(jié)構(gòu)，防止微型浮標(biāo)隨著海流運動出現(xiàn)大范圍的晃動，改變天線的方向，影響信號的接收與發(fā)送。鰭狀結(jié)構(gòu)增大浮標(biāo)體表面與海水表面的接觸面積，從而增加浮標(biāo)與流體間的摩擦力，使可拋棄式微型浮標(biāo)能在海中穩(wěn)定地漂流。同時，為了減輕微型浮標(biāo)在隨海流運動時大幅度旋轉(zhuǎn)對測流精度的影響，增加了舵葉結(jié)構(gòu)。如圖1所示，在迎流面，平行水流與附加水流方向相反，流速減小，壓力增加，而背流面的平行水流與附加水流方向相同，所以流速增加，壓力減小，舵葉兩面產(chǎn)生壓力差，舵葉受到平行于水流的舵阻力Pd和垂直于水流方向的舵升力Pl，其合力P同時可以分解為垂直于舵葉剖面的舵壓力Pn和平行于舵葉剖面的舵葉摩擦力Pt，在舵壓力作用下會使浮標(biāo)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩，一定程度上減輕浮標(biāo)的旋轉(zhuǎn)程度。

圖1 舵葉受力分析圖

如圖2所示，可拋棄式微型浮標(biāo)由上下兩部分組成，通過螺栓連接和密封。根據(jù)通信定位模塊、天線、電池等尺寸確定浮標(biāo)總高為150 mm，最大外徑為140 mm，微型浮標(biāo)具體尺寸如圖3所示?？蓲仐壥轿⑿透?biāo)頂部配有天線，天線伸出殼體，增強信號強度。浮標(biāo)體上半部分內(nèi)置北斗定位模塊和LoRa通信模塊。浮標(biāo)體下半部分內(nèi)置電池和配重塊。配重塊可以減小浮標(biāo)體水面以上結(jié)構(gòu)的體積和重量，降低浮標(biāo)重心的高度。

圖2 可拋棄式水動力監(jiān)測微型浮標(biāo)三維模型

圖3 可拋棄式水動力監(jiān)測微型浮標(biāo)結(jié)構(gòu)尺寸圖

1.2 電源配置

可拋棄式微型浮標(biāo)通過配置電源來滿足發(fā)送信號周期為2 min，連續(xù)工作1個月。已知電源提供3.7 V穩(wěn)壓，通過實測得到浮標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)期間電流為120 mA，待機時電流為20 μA，根據(jù)目前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，每次發(fā)送數(shù)據(jù)的時間約為2.5 s。

浮標(biāo)發(fā)送1 h數(shù)據(jù)的功耗為：

連續(xù)供電1個月，至少需要蓄電池容量為：

考慮休眠時間耗電，所以選用3 000 mAh的蓄電池。

1.3 工作性能指標(biāo)

浮標(biāo)的工作性能指標(biāo)如表1所示。

表1 可拋棄式微型浮標(biāo)工作性能指標(biāo)

2 基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)LoRa機制和北斗定位的微型浮標(biāo)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

窄帶物聯(lián)網(wǎng)LoRa機制是一種長距離無線通信自組網(wǎng)絡(luò)，LoRa通過線性擴頻調(diào)制技術(shù)，保證低功耗的同時增加了通信距離；無需額外通信費用，大幅降低了通信成本[16]；LoRa模塊能實現(xiàn)毫秒級計時[14]，浮標(biāo)采用GPS/北斗雙模定位，測速精度可達0.1 m/s，與傳統(tǒng)浮標(biāo)法相比采集精度更高。LoRa采用433 MHz頻點組網(wǎng)，由基站和終端（浮標(biāo)）構(gòu)成，如圖4所示?；景êＣ嫫』?、島上基站、岸標(biāo)基站以及船上基站。每個浮標(biāo)都安裝了LoRa終端模塊，構(gòu)成了傳感網(wǎng)絡(luò)，一個基站通信能力可以覆蓋半徑20 km，終端與終端之間、終端與基站之間通過通信接力組建mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過路徑優(yōu)化可以實現(xiàn)半徑100 km以上的海域無線通信覆蓋。

圖4 基于Lora的可拋棄式微型浮標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

根據(jù)實驗要求一次性布放40個浮標(biāo)，設(shè)定采集周期為2 min，進行一次通信接力最短為0.5 s，2 min內(nèi)可以完成通信接力次數(shù)為：

一次通信接力最遠傳輸距離20 km，那么任一浮標(biāo)通過通信接力最遠傳輸距離為：

一個LoRa基站能接入上萬個終端，將帶有LoRa終端模塊和北斗定位模塊的微型可拋棄式浮標(biāo)大量布放于海流中，實現(xiàn)海流數(shù)據(jù)精細化采集，可拋棄式微型浮標(biāo)周期性地將位置、流速和浪高等數(shù)據(jù)傳遞給LoRa基站，LoRa基站通過3G/4G或衛(wèi)星通信的方式將數(shù)據(jù)傳送到海洋水動力監(jiān)測大數(shù)據(jù)公共服務(wù)平臺。

可拋棄式微型浮標(biāo)內(nèi)部裝配電路板，電路板設(shè)計具有LoRa低功耗窄帶通信、北斗位置定位和授時功能，該電路由CPU模塊、北斗/GPS定位模塊、窄帶通信模塊、TTL接口和電源模塊組成[17]。電路板實物圖如圖5所示。

圖5 電路板實物圖

浮標(biāo)采用STC15W4K系列單片機為核心處理器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收處理、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)通訊。定位模塊和芯星通UM220-IV NL芯片為核心，負責(zé)接收北斗/GPS的信號，實現(xiàn)位置定位和北斗授時。窄帶通訊模塊選用Ra-01為數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，發(fā)送和接收頻率為410～525 MHz，實現(xiàn)多通道獨立數(shù)據(jù)收發(fā)。電源模塊采用3.7 V穩(wěn)壓供電，具有電源保護作用；串口模塊采用4針TTL模式，進行核心處理器的程序下載與更新。

可拋棄式浮標(biāo)的工做流程如圖6所示。程序啟動后，將對Lora通信和北斗通信進行變量初始化、配置主程序參數(shù)等操作。接下來進入到北斗數(shù)據(jù)采集和監(jiān)聽程序，并判斷是否處于采集時間點，若不是采集時間點，則繼續(xù)監(jiān)聽北斗信號，若是采集時間點，則進行北斗有效數(shù)據(jù)的采集和存儲。采集程序結(jié)束后，判斷基站是否能接收程序，若沒有基站接收數(shù)據(jù)則繼續(xù)監(jiān)聽北斗數(shù)據(jù)，若有基站接收數(shù)據(jù)則讀取歷史數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 可拋棄式微型浮標(biāo)工作流程圖

3 浮標(biāo)體流體力學(xué)仿真分析

文中通過ANSYS Workbench中的Fluent和Static Structural模塊對浮標(biāo)進行流固耦合分析。對比分析帶舵葉和減搖鰭的微型浮標(biāo)與未進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的圓柱形浮標(biāo)、帶不同展弦比舵葉的微型浮標(biāo)的水動力學(xué)特性。證明帶舵葉和減搖鰭的微型浮標(biāo)體的優(yōu)越性，同時確定微型浮標(biāo)所帶舵葉的最佳尺寸。

3.1 控制方程

3.1.1 流固耦合方程

流固耦合遵循最基本的守恒原則，所以在流固耦合交界面處，應(yīng)滿足流體與固體應(yīng)力τ、位移d、熱流量q、溫度T等變量的相等或守恒，即滿足如下4個方程：

3.1.2 湍流方程：

湍流方程如式（9）～式（10）所示：

式中：κ為湍動能；ε為耗散渦；為湍動能的變化率；為對流輸運的湍動能在X方向上的變化率；為耗散渦的變化率；為對流輸運的耗散渦在X方向上的變化率；Gκ為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能κ的產(chǎn)生項；Gb為浮力引起的湍動能κ的產(chǎn)生項；YM為可壓湍流中脈動擴張的貢獻；C1ε,C2ε,C3ε為經(jīng)驗常數(shù)；Sκ,Sε為用戶定義的源項。

3.2 網(wǎng)格化處理與前處理設(shè)置

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS Workbench進行整體結(jié)構(gòu)模型建模，整個流體域的尺寸為長1 600 mm，寬500 mm，高500 mm。浮標(biāo)在海水中漂浮時，主要受到海水的影響，所以仿真部分忽略空氣對浮標(biāo)的影響，只研究水流對浮標(biāo)運動的影響。在對浮標(biāo)進行瞬時的流固耦合分析過程中，假定微型浮標(biāo)是固定不動的，水流是相對運動的。將模型導(dǎo)入到ANSYS中的 Design Modeler模塊中，對流體域進行抽取，接著通過Meshing對模型進行網(wǎng)格化處理，總共生成1 071 088個網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

流體區(qū)域的入口邊界為速度入口邊界，速度大小設(shè)置為0.35 m/s。出口邊界為無外部約束的自由邊界且速度未知，所以出口邊界設(shè)置為壓力出口邊界，壓力大小為0 Pa。在Static Structural模塊的Engineering Data中定義材料為光敏樹脂，根據(jù)光敏樹脂的材料屬性設(shè)置材料密度為1.16 kg/m3、楊氏模量為2.5×106和泊松比為0.23。

3.3 流固耦合分析

3.3.1 帶減搖鰭和舵葉的微型浮標(biāo)與圓柱形浮標(biāo)比較分析 圖7和圖8為零攻角情況下，帶減搖鰭和舵葉展弦比λ=1.5的微型浮標(biāo)與圓柱形浮標(biāo)水下部分在0.35 m/s水流下的速度矢量圖和壓力分析圖（展弦比λ=h/b。其中，h為舵葉的高度b為舵葉的弦長）。

比較圖7-a和圖7-b可以看出，在水流沖擊浮標(biāo)時，帶舵葉的微型浮標(biāo)在舵葉與浮標(biāo)體的連接處幾乎沒有產(chǎn)生漩渦，舵兩側(cè)流速對稱相等，不產(chǎn)生舵壓，圓柱型浮標(biāo)的背流面會產(chǎn)生漩渦，會誘導(dǎo)浮標(biāo)發(fā)生偏轉(zhuǎn)；圓柱形浮標(biāo)背流面流線稀疏且分散，而帶舵葉的微型浮標(biāo)流線在舵葉尾部匯合，與來流平行，流線較密且集中，說明增加舵葉結(jié)構(gòu)一定程度上減輕漩渦，并且保證浮標(biāo)的穩(wěn)定性。

圖7 在0.35 m/s水流作用下浮標(biāo)的速度矢量圖

比較圖8-a和圖8-b可知，帶減搖鰭和舵葉的微型浮標(biāo)結(jié)構(gòu)所受最大壓力為8.217 6×10-5MPa，而圓柱型浮標(biāo)所受最大壓力為8.272 2×10-5MPa，說明帶減搖鰭和舵葉的微型浮標(biāo)結(jié)構(gòu)受力更加均勻，穩(wěn)定性更好。

圖8 在0.35 m/s水流作用下浮標(biāo)壓力圖

3.3.2 可拋棄式微型浮標(biāo)舵葉壓力分析 圖9為帶減搖鰭和舵葉的微型浮標(biāo)在來流攻角為45°，流速為0.35 m/s時浮標(biāo)迎流面和背流面壓力分析圖。在有攻角的情況下比較浮標(biāo)舵葉兩面所受壓力，可以發(fā)現(xiàn)舵葉迎流面壓力大于背流面壓力，舵葉兩面存在壓力差，在舵壓力作用下會使浮標(biāo)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩，一定程度上減輕浮標(biāo)的旋轉(zhuǎn)程度。

圖9 可拋棄式微型浮標(biāo)壓力圖

3.3.3 帶有不同展弦比舵葉的微型浮標(biāo)流體分析比較 為了確定微型浮標(biāo)所帶舵葉的最佳尺寸，對帶有不同展弦比舵葉的微型浮標(biāo)進行仿真。圖10是在來流攻角為45°，流速為0.35 m/s，舵葉展弦比分別為0.5，1，1.5和2的微型浮標(biāo)的速度矢量圖。

翼端效應(yīng)會使舵葉尾部產(chǎn)生尾渦系，并產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力[18]。圖10顯示，舵葉展弦比越小的浮標(biāo)，尾渦系越靠近舵葉的尾部，隨著舵葉展弦比的增大，尾渦系會向后推遲，減小了尾渦對舵葉的影響，一定程度上減輕了翼端效應(yīng)的影響，降低了阻力[19]。所以大展弦比的舵葉舵效更佳，對保持浮標(biāo)穩(wěn)定性更有利。

通過仿真研究得出結(jié)論：帶減搖鰭和舵葉的微型浮標(biāo)較圓柱形浮標(biāo)受力更加均勻，穩(wěn)定性更好。對帶有不同展弦比舵葉的微型浮標(biāo)研究表明，舵葉展弦比在0.5～2的范圍內(nèi)，隨著舵葉展弦比的增加，舵效更佳，浮標(biāo)穩(wěn)定性更好。

圖10 帶有不同展弦比舵葉的微型浮標(biāo)速度矢量圖

4 水槽實驗

4.1 實驗過程

本實驗在廈門理工大學(xué)實驗水槽中進行。實驗水槽長30 m、寬2 m、水深3 m，如圖11所示。通過調(diào)節(jié)電機頻率控制進水口流速，并在進水口處放置穩(wěn)流管，減輕由于水頭差及瞬間流量過大造成的水體紊亂，保證均勻來流。同時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子測速裝置，使測速轉(zhuǎn)子與浮標(biāo)在同一水平，當(dāng)流場測速裝置所測斷面流速穩(wěn)定在0.35 m/s時開始實驗。如圖12所示為帶舵微型浮標(biāo)與無舵微型浮標(biāo)實物圖，浮標(biāo)內(nèi)部裝有配重塊、電池、電路板，天線豎直伸出，保證信號的穩(wěn)定。實驗過程中，將微型浮標(biāo)進行編號并作上標(biāo)記，同時在無舵浮標(biāo)的上蓋上標(biāo)記方向性箭頭，以便觀測浮標(biāo)的旋轉(zhuǎn)程度。在距離進水口2 m處開始布放浮標(biāo)體。實驗通過記錄浮標(biāo)漂浮18 m距離過程中旋轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)判斷舵效。

圖11 30 m水槽

圖12 帶舵浮標(biāo)（左）與無舵浮標(biāo)（右）實物圖

4.2 實驗數(shù)據(jù)及分析

本文開展了兩組實驗，第一組是測試并比較有舵浮標(biāo)與無舵浮標(biāo)的旋轉(zhuǎn)程度，實驗過程如圖13所示，圖左側(cè)為無舵浮標(biāo)，右側(cè)為帶舵浮標(biāo)，浮標(biāo)漂浮一段時間后，有舵浮標(biāo)還未發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而無舵浮標(biāo)已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了1.25圈。第二組是對舵葉展弦比分別為0.5, 1, 1.5, 2的浮標(biāo)旋轉(zhuǎn)程度進行測試并比較。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖13 浮標(biāo)實驗圖

表2 微型浮標(biāo)所測流速與旋轉(zhuǎn)程度記錄表

4.3 實驗數(shù)據(jù)分析和結(jié)論

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，無舵浮標(biāo)旋轉(zhuǎn)程度明顯大于帶舵浮標(biāo)，且隨著舵葉展弦比的增加，旋轉(zhuǎn)程度減小。通過實驗可得出結(jié)論：帶舵微型浮標(biāo)能在一定程度上減輕浮標(biāo)漂流時的旋轉(zhuǎn)程度，較無舵微型浮標(biāo)穩(wěn)定性更好，能更加精準(zhǔn)地反應(yīng)水流流速和流向。當(dāng)舵葉展弦比在0.5～2的范圍內(nèi)時，舵葉展弦比越大，浮標(biāo)穩(wěn)定性越好。

5 結(jié) 論

為精細化采集海洋表面流水動力學(xué)參數(shù)，本文提出了一種新型的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)LoRa機制無線傳輸?shù)目蓲仐壥轿⑿透?biāo)，可周期性地獲取位置、流速和浪高等數(shù)據(jù)，能基本反應(yīng)海流趨勢，對海洋表層流的研究有實際應(yīng)用價值。論文還提出了帶舵葉和減搖鰭的結(jié)構(gòu)，以提高浮標(biāo)的穩(wěn)定性，通過對該浮標(biāo)進行Fluent流固耦合仿真和水槽實驗，得出以下研究結(jié)論：

（1）比較帶舵浮標(biāo)和無舵浮標(biāo)，得出增加舵葉結(jié)構(gòu)能有效減輕微型浮標(biāo)在水中漂流時的旋轉(zhuǎn)程度，提高了浮標(biāo)的穩(wěn)定性，使浮標(biāo)能更加精確地反映海流的水動力學(xué)參數(shù)；

（2）比較帶有不同展弦比舵葉的浮標(biāo)，得出當(dāng)流速一定時，來流角度相同時，舵葉展弦比在0.5～2范圍內(nèi)的微型浮標(biāo)，隨著舵葉展弦比的增加，浮標(biāo)的穩(wěn)定性越好，隨水流同步漂移的準(zhǔn)確性越好。可拋棄式微型浮標(biāo)的發(fā)展對海流觀測具有非常積極的意義，也期待其早日大量投入并應(yīng)用于海洋自然現(xiàn)象、海洋垃圾溯源、船舶溢油、失水人員救助等研究中。