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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (7): 1440-1448    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.07.024
海洋工程     
深海自持式剖面浮标浮力变化规律
林越1(),李洪宇2,4,*(),文艺成3,4,邹彦超3,4,杨少波4,5,李醒飞4,5
1. 中国船级社青岛分社，山东 青岛 266034
2. 山东科技大学 海洋科学与工程学院，山东 青岛 266590
3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237
4. 天津大学 青岛海洋技术研究院，山东 青岛 266237
5. 天津大学 精密测试技术与仪器国家重点实验室，天津 300072
Buoyancy change rule of deep-sea autonomous profiling float
Yue LIN1(),Hong-yu LI2,4,*(),Yi-cheng WEN3,4,Yan-chao ZOU3,4,Shao-bo YANG4,5,Xing-fei LI4,5
1. China Classification Society Qingdao Branch, Qingdao 266034, China
2. Ocean Science and Engineering College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China
3. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China
4. Qingdao Institute for Marine Technology, Tianjin University, Qingdao 266237, China
5. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China
 全文: PDF(1605 KB)   HTML
摘要：

为了分析海水温度、盐度、压力等环境参量对深海自持式剖面浮标净浮力的影响规律，以自主研发的4 000 m水深自持式智能浮标“浮星1号”为研究对象，建立理论模型，得到浮标整体变形量随压力、温度的变化规律. 通过压载试验及海上试验，验证了仿真模型预测结果的准确性和可靠性，得到浮标运动过程中的体积及浮力变化规律. 研究结果表明：温度对浮标体积的影响主要体现在较浅深度范围内，压力对浮标体积的影响随水深基本呈线性规律变化；浮标净浮力随着水深的增加呈非线性规律增加，在较浅深度的情况下，净浮力变化量主要受温度的影响，在较大深度的情况下，净浮力变化量主要受压力的影响；至4 000 Pa，浮标体积收缩总量为818 mL，净浮力增量等效质量为463 g.
关键词： 自持式剖面浮标;  压缩量;  浮力变化;  ARGO;  浮星    
Abstract:

The simulation model was established and the change rule of the overall deformation with pressure and temperature was obtained by taking the self-developed deep-sea autonomous profiling float "Fuxing-1" with the working depth 4 000 m as the research object in order to analyze the influence law of seawater temperature, salinity, pressure and other environmental parameters on the net buoyancy of deep-sea autonomous profiling float. The accuracy and reliability of the simulation model were verified by ballast test and sea test, and the change rules of volume and buoyancy were obtained during the movement of float. Results show that the effect of temperature on the volume of float mainly reflects in the shallow depth range, while the effect of pressure basically changes linearly with the depth. The net buoyancy of the float increases nonlinearly with the increases of depth. In the case of shallow depth, the change of net buoyancy is mainly affected by temperature, while in the case of large depth, the change is mainly affected by pressure. To 4 000 Pa, the total volume shrinkage of the float is 818 mL and the equal mass of net buoyancy increment is 463 g.
Key words: autonomous profiling float    volume compression    buoyancy change    ARGO    Fuxing
收稿日期: 2020-02-03 出版日期: 2020-07-05
CLC:  P 715  
基金资助: 山东省重点研发计划资助项目（2019GHY112051，2019GHY112072）
通讯作者: 李洪宇     E-mail: y_lin@ccs.org.cn;skdlhy@163.com
作者简介: 林越（1986—），男，工程师，从事船舶与海洋工程装备检验. orcid.org/0000-0002-7576-6401. E-mail： y_lin@ccs.org.cn
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林越
李洪宇
文艺成
邹彦超
杨少波
李醒飞

引用本文:

林越,李洪宇,文艺成,邹彦超,杨少波,李醒飞. 深海自持式剖面浮标浮力变化规律[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(7): 1440-1448.

Yue LIN,Hong-yu LI,Yi-cheng WEN,Yan-chao ZOU,Shao-bo YANG,Xing-fei LI. Buoyancy change rule of deep-sea autonomous profiling float. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(7): 1440-1448.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.07.024    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I7/1440

图 1  “浮星1号”运行示意图
图 2  “浮星1号”结构示意图
部件 材料 ${V_{0i}}$/mL 类型
　　注：1)“其他”包含水密插头、水密线缆及仪器舱封装胶带，由于单项所占体积不大，此处合并计算.
天线 陶瓷 45.63 A
硫化橡胶 16.96 B
304不锈钢 51.58 B
外保护壳 中低密度聚乙烯 5 788.82 B
耐压壳体 硼硅酸盐玻璃 42 191.95 A
CTD 钛合金 1 125.38 A
POM 88.17 B
CTD支架+底座 POM 1 842.06 B
顶板+压载+紧固件 304不锈钢 1 023.66 B
油（气）囊 丁腈胶管 1 202.27 B
其他1) — 78.94 B
表 1)  “浮星1号”耐压部件汇总表
图 3  耐压壳体有限元模型
图 4  40 MPa压力作用下耐压壳体变形云图
图 5  −30 °C温差作用下耐压壳体变形云图
部件 压力影响（ $p = 40\;{\rm{MPa}}$） 温度影响（ $\Delta \theta $=?30 °C）
$\Delta {V_{{p} } }/{\rm{mL} }$ ${\omega _{{p} } }/{\text{% } }$ $\Delta {V_{\rm{\theta } } }/{\rm{mL} }$ ${\omega _{\rm{\theta } } }/{\text{% } }$
天线 3.42 2.99 1.12 0.98
外保护壳 106.87 1.85 114.62 1.98
耐压壳体 455.43 1.08 12.73 0.03
CTD 4.94 0.41 1.69 0.14
CTD支架+底座 19.40 1.05 17.24 0.94
顶板+压载+紧固件 0.27 0.03 1.66 0.16
油（气）囊 77.00 6.40 7.57 0.63
其他 17.70 22.43 4.76 6.03
表 2  浮标各部件体积收缩理论分析结果
图 6  压力、温度作用下浮标体积收缩量的理论分析结果
图 7  压载试验测量浮标净浮力原理图
图 8  压载试验浮标样机
图 9  压载试验现场
参数 数值 备注
样机质量（空气） $m{'_{\rm{f}}}$/ ${\rm{g}}$ 53 368 测量值
空气密度 ${\rho _{\rm{a}}}$/ $({\rm{g \cdot L^{-1} } })$ 1.23 经验值
样机体积（粗测） ${V_0}$/ ${\rm{mL} }$ 53 480 测量值
样机质量（真空） ${m_{\rm{f}}}$/ ${\rm{g}}$ 53 434 计算值
初始配重质量（空气） ${m_{\rm{w}}}$/ ${\rm{g}}$ 150 测量值
拉力计读数 ${F_{\rm{w}}}$/ ${\rm{N}}$ 2.35 测量值
砝码等效线密度 ${m_{\rm{c}}}$/ $({\rm{g\cdot m^{-1}} })$ 110 测量值
初始水温 ${\theta _0}$/°C 25.40 测量值
初始水密度 ${\rho _0}$/ $({\rm{kg\cdot } }{ {\rm{m} }^{\rm{-3} } })$ 997.10 测量值
表 3  压载试验初始状态记录表
图 10  压载试验压力加载-卸载时程曲线
${p_{\rm{x}}}/{\rm{MPa}}$ $N$ ${m_{{p_{\rm{x}}}}}/{\rm{g}}$ ${p_{\rm{x}}}/{\rm{MPa}} $ $N$ $ {m_{{p_{\rm{x}}}}}/{\rm{g}}$
20.5 0 0 31.2 7 65
21.7 1 9 32.8 8 76
23.6 2 17 34.9 9 86
24.7 3 26 36.3 10 96
26.6 4 36 38.3 11 106
27.8 5 45 40.2 12 117
29.6 6 55 ? ? ?
表 4  压载试验罐内压力与浮标净浮力等效质量
图 11  经拟合的压载试验曲线
图 12  压力作用下浮标体积收缩量的理论分析与压载试验结果
参数 数值
浮标总质量（空气） $m{'_{\rm{f}}}$/ ${\rm{g}}$ 55 380
配平油量 ${V_{\rm{b}}}$/ ${\rm{mL} }$ 410
配重质量（空气） ${m_{\rm{w}}}$/ ${\rm{g}}$ 2 131
配重密度 ${\rho _{\rm{w}}}$/ $({\rm{kg }}\cdot { {\rm{m} }^{\rm{-3} } })$ 7.93×103
初始水温 ${\theta _0}$/°C 27.80
初始水密度 ${\rho _0}$/ $({\rm{kg \cdot } }{ {\rm{m} }^{\rm{-3} } })$ 1 021.7
表 5  海试初始状态记录表
图 13  “浮星1号”海试布放现场
图 14  实际海水温度、盐度及密度的变化规律
${V_{\rm{d} } }/{\rm{mL} }$ ${m_{\rm{p}}}/{\rm{g} }$ ${d_{\max }}/{\rm{m}}$
204 210 420.9
228 235 660.8
252 260 886.3
276 284 1 247.1
303 314 1 607.1
321 338 2 005.7
349 362 2 388.6
373 388 2 773.3
399 416 3 280.8
表 6  回油量（或净浮力变化量等效质量）与极限下潜深度记录表
图 15  实际海水温度、压力作用下浮标体积收缩量变化规律
图 16  实际海洋环境下浮标净浮力变化规律
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