海洋系泊设计中如何控制浮标阻力系数的不确定性

Altair博客上的这篇客座文章是由ProteusDS的创建者、DSA的首席技术官Ryan Nicoll撰写的。DSA是牵牛星伙伴联盟的成员。bob游戏下载大全

那是1991年的夏天，我站在我见过的第一个树篱迷宫前。对一个小男孩来说，还有什么比迷失在树篱迷宫中找到出路更有趣的呢？我有一个简单的计划，通过做随机选择，尽可能快地完全迷失。然后我会慢慢找到出路。所以，我全速跑了进去，每转一圈都是左转或右转，没有想过。

这个计划完全适得其反。完全是侥幸，在一两分钟内，我到达了迷宫的出口。我不敢相信自己通过随机选择就能直接走到迷宫的尽头。

在树篱迷宫中做出随机决定可能是侥幸的，但你不能对海洋浮标的阻力系数做出随机决定。这些浮标可以是坚固的结构物。因为它们是巨大的，所以它们身上的阻力也是巨大的。如果它们的形状非常复杂，很难真正知道阻力系数是多少。

我们将研究三种评估海洋浮标阻力系数的方法。这些方法虽然增加了复杂性，但仍然给了你一些开始的东西。确定阻力系数的方法有三种:

1. 查找表
2. 计算流体力学（CFD）
3. 现场部署数据

首先，我们将介绍查找表的使用。

查找表是一个极好的起点

这些查找表提供了相当具体的形状和几何体的阻力系数。最有帮助的是，通常有一些带有参数的表可以帮助您确定特定的形状。例如，深蹲圆柱的查找表根据长径比显示了几个不同的阻力系数值。查找表易于使用。你可以找到最接近你正在使用的形状，然后这就是你在计算中使用的阻力系数。

这些查找表来自哪里？

这些查找表是几十年研究和实验的结果。这些实验测量了不同流动条件下这些形状上的总阻力。根据数据计算得出的阻力系数，然后在查找表中公布，以供将来参考。

但也有不少局限性

很难找到与你想要的形状完全匹配的。即使是圆柱体这样的基本形状，您的特定表单也可能超出查找表的范围。或者，您可能只有手头的查询表中的几个示例。

因此，尽管查找表为您提供了一个起点，但仍然存在一些不确定性。这就把我们带到了下一个可以用来解决阻力系数的方法:计算流体动力学(CFD)。

您可以直接使用特定的浮标几何图形

此前，我们了解到，查找表是经过几十年的艰苦研究和实验制作的，目的是测量实际结构上的总阻力。CFD软件预测流体流过结构物的动力学。CFD允许你在你自己的特定结构上直接在你的计算机上运行你的实验。

所有CFD工具都设置为与直接放入程序的任何几何体一起工作。软件工具，如牵牛星HyperMesh使直接使用CAD文件变得容易。这将为CFD程序中使用的几何图形做准备，如牛郎星AcuSolve. 无论使用何种CFD程序，只要几何体就位，就可以设置要检查的水流条件。然后，运行程序时，它会计算该几何体的相应阻力系数。这是查找表的一个显著改进，因为您可以使用更精确的几何图形。你不必去猜测哪个形状最适合你的海洋浮标。

但在使用CFD时，有一种不同的不确定性

尽管CFD工具令人难以置信，但流体流动的动力学却异常复杂。CFD流动物理模型也有许多输入和设置。在某些特定情况下，这些设置中的某些设置可以对阻力系数计算的输出进行实质性更改。那么，我们如何应对这种新的不确定性呢？这将带我们进入下一个也是最后一个部分，使用现场部署数据进行验证。

没有什么比现实更真实

如果你把一个海洋浮标放在一个已知的水流中，你可以测量总阻力，那么，你就得到了实际的阻力系数！当然，这将消除前两种方法所存在的那些微不足道的不确定性，这是有道理的。与查找表不同，我们确实在处理精确的形状。我们正在研究真实的水流，不像CFD计算的水流的近似值。

这就产生了一点鸡和蛋的问题

我们确实需要事先知道阻力系数是多少在我们设计和部署系泊装置之前。否则，如果偏转太多或断裂，系泊就有危险。然而，这些风险可以通过一种分阶段的方法来控制，在较低的流速下使用较小的系泊，或者甚至在流池中进行比例模型试验。这些比例模型测试确实是经过几十年的研究来做查找表的那种测试。

实地部署的费用是多少？

当然，进行实地部署是非常复杂和昂贵的。你需要一艘船和船员来部署设备。设备本身也很昂贵。仅仅测量现场的流量可能是一项复杂的工作，更不用说系泊响应的某些特征了。但这只说明了特定阻力系数的知识对于那个特殊的结构是多么独特和有价值。该阻力系数可再次用于新的系泊设计和未来不同流速的不同位置。

让我们看一个具体的例子

深水Buoyany的StableMoor浮标是一种流线型浮子，设计用于在高流量条件下工作。这是一个相当特殊的形状。在查看查找表时，有几个示例非常接近，但并不精确。它更像一个圆形的矩形，还是圆柱体？尾环怎么解释？用这种方法我们只能回答这么多。圆形块的范围是0.25到0.55，所以我们可以试试0.55。这似乎有点随机，但这是我们在现阶段所能做的最好的。下一步是使用CFD软件工具。

我们使用了CFD程序牛郎星AcuSolve来计算在一些流速条件下稳定泊系浮标的实际几何形状所受的阻力。根据主船体的投影面积，计算得到的阻力系数为1.0。这比圆角块查找表值要高，因为尾环给系统增加了额外的阻力。在这一阶段，我们有一个良好的浮标阻力系数使用的想法。为了改进这一点，最后一个阶段是使用现场数据进行验证。

海洋学家在UW应用物理实验室在高流量潮汐水道中部署带有StableMoor浮标的短系泊。船上的传感器测量了流速以及远离海床的StableMoor浮标的高度。当系泊和稳门浮标上的总阻力使系统偏转时，稳门浮标的高度降低。这种高度的降低通常被称为击倒。

我们在ProteusDS中重建了系泊系统，并将结果与测量的击倒率进行了比较。使用1.0的阻力系数对StableMoor浮标进行测试，显示在现场部署的测量值范围内出现了下降:在约2m/s的流速下，系统显示了约1m的下降。看起来CFD软件工具做得很好。这为其他系泊设计再次使用阻力系数和CFD分析过程建立了信心。

在寻找阻力系数的方法时，我们涉及了很多领域

现在是时候快速回顾一下了。解析阻力系数的起点是使用查找表。这代表了几十年来对各种形状的真实实验的工作。但通常情况下，浮标的几何形状与你正在研究的海洋浮标并不完全吻合。

下一步是尝试使用CFD软件工具。这些软件工具可以使用您正在使用的特定浮标几何图形，并为您提供阻力系数。虽然这些软件工具功能强大，但它们仍然近似于可能非常复杂的流体物理。

事实上，现实是无法替代的，因此最后一步将是在实际水流条件下对浮标进行某种实际测量。虽然这可能是一个巨大的努力，它确实提供了一个有价值的验证阻力系数为一个特定的浮标，可以再次使用在类似的条件。

使用阻力系数可能会让你觉得自己像在迷宫中奔跑

你不能只是随机选取一个阻力系数，就匆忙进入系泊设计过程的下一步，期待成功。如果只有有限的查找表可供使用，则可能会这样做。

下一个步骤

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得益于APL和深水浮力

感谢吉姆·汤姆森和亚历克斯·德克勒克从APL和大卫卡波托托和丹象牙海岸从深水浮力分享有关系泊部署和稳定门浮标的技术指标和信息。