旋轉(zhuǎn)對投棄式海洋剖面儀運動特性影響的數(shù)值研究

陳文義 ，張 瑞 ，劉 寧 ，張曼曼

（1.河北工業(yè)大學過程裝備與控制工程系，天津 300130;2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

旋轉(zhuǎn)對投棄式海洋剖面儀運動特性影響的數(shù)值研究

陳文義1，張 瑞1，劉 寧2，張曼曼1

（1.河北工業(yè)大學過程裝備與控制工程系，天津 300130;2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

在旋轉(zhuǎn)坐標系下，采用有限體積法結(jié)合兩方程k-ε湍流模型，對投棄式海流剖面儀(eXpendable Current Profiler，XCP)探頭三維流場進行數(shù)值模擬。研究旋轉(zhuǎn)對XCP探頭流動特性的影響，對比分析了無旋轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)下探頭周圍流場分布，數(shù)值計算得到了不同轉(zhuǎn)速下阻力系數(shù)和極限速度。研究表明，旋轉(zhuǎn)會使探頭整個流場增加周向速度分量，減小探頭的下落速度；隨著轉(zhuǎn)速增大，探頭的阻力系數(shù)隨之增加，水下穩(wěn)定運動時的極限速度減小。低轉(zhuǎn)速下探頭下落速度減小并不明顯，15 r/s以上轉(zhuǎn)速時探頭下落速度下降的較為顯著。研究結(jié)果與海上試驗結(jié)果對比，極限速度基本吻合，驗證了該數(shù)值模擬方法的正確性，為選擇合理的探頭轉(zhuǎn)速提供參考。

XCP探頭；阻力系數(shù)；極限速度；轉(zhuǎn)速

XCP投棄式海洋探頭是一種新型、可快速獲得海洋環(huán)境剖面參數(shù)的一次性設(shè)備。探頭在水中自由釋放后旋轉(zhuǎn)下沉，由探頭上安裝的傳感器獲得某一深度上海流和溫度信息；海洋環(huán)境信息經(jīng)處理器處理，通過信號傳輸線傳送，并由水面接收機接收[1]。在此過程中，保障下落速度的是XCP探頭頭部的配重，保障探頭旋轉(zhuǎn)的是尾部旋翼。

XCP探頭的旋轉(zhuǎn)下落使探頭內(nèi)部電極上獲得交流信號。它比直接下落所測得的信號更易識別，采用鎖相放大電路即可實現(xiàn)微弱信號的有效放大，得到海流的幅值信息。為使信號放大有效，必須保證探頭穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)速度。因此研究旋轉(zhuǎn)對探頭流動特性影響，不但可以獲得旋轉(zhuǎn)探頭流場分布及水動力特性，而且可以根據(jù)XCP探頭設(shè)計所需滿足的垂直分辨率要求，選擇合適的探頭轉(zhuǎn)速。為了研究旋轉(zhuǎn)對XCP探頭水下運動特性的影響，本文采用隱式有限體積法，數(shù)值分析了旋轉(zhuǎn)對XCP探頭流場分布的影響及轉(zhuǎn)速對XCP探頭水動力特性的作用，并進行了轉(zhuǎn)速的合理化選擇。研究結(jié)果對XCP探頭優(yōu)化設(shè)計和進一步海上試驗具有重要現(xiàn)實意義。

1 數(shù)值模型

1.1 計算模型

XCP探頭全長460 mm，采取流線型主體和非對稱旋轉(zhuǎn)尾翼設(shè)計。整個探頭可分為頭部、圓柱筒身、中間過水管和尾部4部分，尾部旋轉(zhuǎn)尾翼由4片葉片組成，簡化后的模型如圖1所示。

圖1 XCP探頭計算模型

1.2 控制方程

對于旋轉(zhuǎn)XCP探頭流場的計算，使用相對參考系更為方便。在相對參考系中，探頭及計算網(wǎng)格是不轉(zhuǎn)的，這樣帶來的好處是不需要作動網(wǎng)格計算，并且，在旋轉(zhuǎn)坐標系下，繞旋轉(zhuǎn)探頭的流場可看為定常的，可以使用適于定常問題的當?shù)貢r間步長法和多重網(wǎng)格法等加速收斂技術(shù)[2]。

旋轉(zhuǎn)坐標系三維Navier-Stokes[3]表達式：

其中：

式中：J為Jacobian行列式；Ω為坐標系繞旋轉(zhuǎn)軸角速度。方程(1)的左端和慣性坐標系中Navier-Stokes方程在形式上相同，但速度為相對速度，且方程右端增加了一個與旋轉(zhuǎn)有關(guān)的原項S?。方程各項含義見文獻[3]。

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分如圖2所示。為了保證探頭流場充分展開，以XCP探頭為幾何中心，取10倍軸向長度，10倍徑向長度的圓柱體區(qū)域作為計算域。為控制數(shù)值模擬中網(wǎng)格數(shù)量和計算質(zhì)量，取1.5倍軸向長度，1.4倍徑向長度的小圓柱體作為網(wǎng)格加密區(qū)域[4]。采用分體網(wǎng)格畫法，共生成112萬個非結(jié)構(gòu)計算網(wǎng)格。

圖2 XCP探頭網(wǎng)格簡圖

1.4 計算方法與計算條件

計算模型采用有限體積法求解。在旋轉(zhuǎn)坐標系SRF中進行流動計算，由于高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一個很大的徑向壓力梯度，從而推動流體向軸向和徑向流動，導(dǎo)致求解過程不穩(wěn)定，因此使用相對速度定義。湍流模型采用考慮坐標系旋轉(zhuǎn)的可實現(xiàn)性k-ε模型。壓力和速度的耦合求解采用SIMPLE算法，空間離散采用二階迎風格式。計算域進、出口設(shè)置分別為速度入口和壓力出口。為加快計算速度，采用Reorder處理[5]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 旋轉(zhuǎn)對XCP探頭流動特性的影響分析

圖3、圖4分別為XCP探頭無旋轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)下探頭表面流體動壓力分布和靜壓力分布。由圖可知，旋轉(zhuǎn)探頭與不旋轉(zhuǎn)探頭流體壓力分布規(guī)律基本一致，旋轉(zhuǎn)探頭表面動壓力較無旋轉(zhuǎn)時，有一定偏轉(zhuǎn)，探頭表面流場增加了周向分量。旋轉(zhuǎn)探頭流體靜壓力較無旋轉(zhuǎn)時壓力等勢線分布不規(guī)則，整體探頭表面流體壓力變大，造成了旋轉(zhuǎn)時探頭表面速度的減少。

圖3 XCP探頭表面流體動壓力云圖

圖4 XCP探頭表面壓力云圖

2.2 不同轉(zhuǎn)速下XCP探頭阻力系數(shù)及極限速度變化規(guī)律分析

不同轉(zhuǎn)速下XCP探頭阻力系數(shù)曲線如圖5所示。阻力系數(shù)基本呈線性分布。同一來流流速下，阻力系數(shù)隨探頭轉(zhuǎn)速增加而增大；同一轉(zhuǎn)速下，阻力系數(shù)隨來流速度增大而減小。

XCP探頭在水中的下落速度有一定的極限，當阻力D=Mg-Ff時，即可獲得探頭水下的極限速度。根據(jù)圖5可以得到不同轉(zhuǎn)速下的速度-阻力擬合曲線，如圖6所示。由圖6可知，不同轉(zhuǎn)速下阻力擬合曲線基本呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速越大，探頭所受阻力越大。當阻力D=Mg-Ff時獲得各轉(zhuǎn)速下極限速度如表1所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下XCP探頭阻力系數(shù)變化曲線

圖6 不同轉(zhuǎn)速下的速度-阻力擬合曲線

表1 不同轉(zhuǎn)速下的極限速度、落速偏差

由表1可見，隨著轉(zhuǎn)速的增加，探頭在水中極限速度減小，原因在于當轉(zhuǎn)速變快，探頭與水的摩擦更為劇烈，導(dǎo)致探頭摩擦阻力增加。落速偏差指的是探頭在不同轉(zhuǎn)速下的極限速度與探頭在零轉(zhuǎn)速時極限速度的差值。通過落速偏差可知，轉(zhuǎn)速較低時，探頭下落速度減小并不明顯；15 r/s以上轉(zhuǎn)速時探頭下落速度下降較為顯著。

2.3 XCP探頭轉(zhuǎn)速的試驗對比及合理化選擇

高速旋轉(zhuǎn)的剛體具有定軸性，即旋轉(zhuǎn)軸受到小的擾動時能保持方向不變，提高穩(wěn)定性[6]。XCP探頭屬于繞自身軸線自轉(zhuǎn)剛體，轉(zhuǎn)速越大，擺動角越小，穩(wěn)定性越好，但同時增加了探頭的阻力系數(shù)，不利于探頭的快速下落；轉(zhuǎn)速越小，擺動角越大，穩(wěn)定性變差，但減小了探頭的阻力系數(shù)，利于探頭的快速下落。因此選擇合適的轉(zhuǎn)速下落對探頭的優(yōu)化設(shè)計起得了重要作用。

某新型XCP探頭于2009年秋在南海海域進行了海上試驗，獲得16 r/s轉(zhuǎn)速下極限速度為3.799 2 m/s。16 r/s轉(zhuǎn)速下數(shù)值計算得到的極限速度為3.850 8 m/s，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。由于模擬結(jié)果未考慮線圈釋放造成的排水體積減小和海水密度變化等因素，造成模擬所得極限速度比海上試驗結(jié)果偏高。XCP探頭旋轉(zhuǎn)一周完成一次測量，設(shè)備的垂直分辨率就是探頭旋轉(zhuǎn)一周下落的距離。假設(shè)XCP探頭需要達到0.3 m[7]垂直分辨率，根據(jù)表1模擬結(jié)果，探頭轉(zhuǎn)速為13 r/s左右可滿足0.3 m垂直分辨率的要求。

3 結(jié)論

(1)旋轉(zhuǎn)XCP探頭與不旋轉(zhuǎn)XCP探頭表面流場分布規(guī)律基本一致，旋轉(zhuǎn)增加了探頭表面壓力，表面流場增加了周向分量，減小了探頭表面運動速度。

(2)轉(zhuǎn)速對XCP探頭阻力系數(shù)影響較大，阻力系數(shù)隨探頭轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨來流速度的增加而減少。

(3)轉(zhuǎn)速對XCP探頭水下極限速度起著重要作用，探頭轉(zhuǎn)速越大，在水中極限速度越小。低轉(zhuǎn)速下探頭下落速度減小并不明顯，針對本文所用XCP探頭，當轉(zhuǎn)速超過15 r/s后探頭下落速度下降的較為顯著。

(4)數(shù)值模擬結(jié)果與海上試驗獲得的極限速度基本吻合。驗證了該數(shù)值模擬方法的正確性。

[1]肖鴻,劉長根,陶建華.拋棄式溫鹽探頭阻力系數(shù)的數(shù)值模擬及其實驗驗證[J].海洋技術(shù),2006,25(1)：35-37.

[2]王樹軍,胡俊,吳甲生,等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈橫向側(cè)噴/超聲速來流干擾數(shù)值模擬[J].兵工學報,2008,29(10)：1220-1223.

[3]王樹軍.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈橫向側(cè)噴干擾流場數(shù)值模擬[D].北京：北京理工大學,2008.

[4]劉曜,劉志柱.某水下航行體尾翼展開過程中流場的數(shù)值模擬[J].力學與實踐,2006,28(4)：21-22.

[5]于勇.FLUENT入門與進階教程[M].北京：北京理工大學出版社,2008.

[6]費祥麟.高等流體力學[M].西安：西安交通大學出版社,1989.

Numerical Study on the Influence of Rotating to the Movement Characteristics of XCP Probe

CHEN Wen-yi1,ZHANG Rui1,LIU Ning2,ZHANG Man-man1
(1.Department of Process Equipment and Control Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

To study the influence of flow characteristics to the XCP probe with rotating,two-equations κ-ε turbulence models combined with finite volume methods are applied.The 3-D interaction flow field over spinning probe is simulated in rotating frame of reference.The flow fields between rotating and without rotating are compared.The drag coefficient and limited velocity are obtained under different rotation rate.The simulated results show that spin will increase the circumferential velocity component,but it would decrease the falling speed;with the increase of rotation rate,the drag coefficient is also increased,as a consequence,the limited velocity would drop.The falling speed decrease is not obvious at a low rate with dropping considerably when the rotation rate is above 15 r/s.The simulated limited velocity is approximately accordant to the experimental results.The result will provide theoretical reference for selecting the reasonable rotation rate of XCP probe.

XCP probe;drag coefficient;limited velocity;rotation rate

P716

A

1003-2029（2011）04-0061-04

2010-12-08

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）資助項目(2006AA09A304)；河北省自然基金項目（D2009000035）

陳文義（1963-），男，教授，主要研究領(lǐng)域為工程中流體力學問題研究，可再生能源，過程強化。Email：cwy63@126.com