不同攻角下投棄式海流剖面儀流體動力特性研究

張 瑞，陳文義，劉 寧，陶金亮，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.國家海洋技術中心，天津 300112）

不同攻角下投棄式海流剖面儀流體動力特性研究

張 瑞1，陳文義1，劉 寧2，陶金亮1，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.國家海洋技術中心，天津 300112）

對投棄式海流剖面儀（eXpendable Current Profiler，XCP）不同攻角下流體動力特性進行數(shù)值模擬，分析了XCP探頭流場壓力分布與運動趨勢的關系。研究了不同攻角下XCP探頭阻力系數(shù)和升力系數(shù)的變化規(guī)律。研究表明，攻角能夠明顯改變流場的軸對稱性。0°～10°攻角下，XCP探頭阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨攻角增大而增加，且基本成線性變化；10°～26°攻角下，XCP探頭升力系數(shù)隨攻角增大而增加，由于探頭表面運動對流動分離的抑制作用，阻力系數(shù)在整體增加過程中出現(xiàn)局部降低；28°攻角附近出現(xiàn)流動分離，阻力系數(shù)上升很快升力系數(shù)趨近于零。探頭自身旋轉對探頭的傾斜姿態(tài)有一定修正作用，當攻角大于28°后，自身修正功能基本消失。研究結果為開展XCP探頭穩(wěn)定性試驗研究提供理論參考。

XCP探頭；阻力系數(shù)；升力系數(shù)；攻角；數(shù)值模擬

投棄式海流剖面儀（XCP）是一種可快速獲取海洋環(huán)境剖面參數(shù)的新型一次性設備，可以直接服務于海洋調查、海洋環(huán)境預報、海洋環(huán)境監(jiān)測和海洋軍事。XCP探頭基本工作原理[1]為：探頭在水中自由釋放后下沉，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。

海流信號通過XCP探頭內部兩個平行放置的電極采集，如果探頭垂直姿態(tài)發(fā)生偏移會造成兩個電極采集的海流信號不同步，導致傳感器采集信號失真。因此研究XCP探頭在不同攻角下的流體動力特性是探頭設計者必須考慮的問題。目前，XCP探頭流體動力特性基本是通過經(jīng)驗或海上實際投放得到。XCP探頭海上試驗所需經(jīng)費高，周期長，并且受季節(jié)、環(huán)境等復雜因素限制，存在許多不確定性。通過數(shù)值模擬方法獲得XCP探頭的流體動力特性不但可以節(jié)約研究成本而且可以克服海上試驗所面臨的諸多困難。國內外運用數(shù)值模擬方法研究XCP探頭運動問題還處于空白。本文對XCP探頭0°攻角和不同攻角下流動特性進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結果，分析了0°攻角下探頭壓力分布及運動情況；獲得了不同攻角下阻力系數(shù)、升力系數(shù)的變化規(guī)律。研究結果對深入研究XCP探頭的穩(wěn)定性問題具有重要的實際意義和參考價值。

1 數(shù)學模型與計算域

1.1 控制方程

對于旋轉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)格是不轉的，這樣帶來的好處是不需要作動網(wǎng)格計算。

旋轉坐標系三維Navier-Stokes方程[2]表達式：

J為Jacobian行列式；Ω為坐標系繞旋轉軸角速度。

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有關的原項S^。方程各項含義詳見文獻[2]。

1.2 計算模型與計算域

由于探頭表面存在很多小溝槽和接口，這給建模和網(wǎng)格劃分帶來困難，這些細微的表面結構對探頭流場及流動動力特性影響很小，因此本文在建立計算模型時，對探頭試驗模型作了局部簡化處理，如圖1所示，探頭總長460 mm，最大截面直徑51 mm。計算模型采用隱式有限體積法求解，湍流模型選用坐標系旋轉的可實現(xiàn)性κ-ε模型[3]，壓力和速度的耦合求解采用SIMPLE[4]算法，空間離散采用二階迎風格式[5]。

圖1 XCP探頭計算模型

2 數(shù)值模擬結果分析

2.1 XCP探頭0°攻角下流動特性

探頭的流體動力特性取決于其表面流體的壓力分布，該壓力分布反應了流體流過探頭的流動狀況。

圖2 XCP表面壓力分布云圖（α=0°）

XCP探頭表面流體壓力分布如圖2。由圖2可以看出，攻角α=0°情況下，探頭上下流動情況對稱，因此升力和俯仰力矩為零，有利于保持探頭水下運動的穩(wěn)定性。當流體流經(jīng)探頭時，在探頭頭部附近受到阻滯，速度迅速降低，因此，在探頭頭部附近會形成一個局部靜壓高于來流靜壓的正壓駐點區(qū)[6]。來流沿著探頭頭部平面對稱的排開加速，壓力迅速降低，在平直段轉折點處壓力達到最小值、速度最大。此后壓力開始恢復增加，在探頭平直段壓力基本保持常值。在探頭尾部，平直段與收縮段過渡區(qū)域，有一個較大的低壓區(qū)，說明來流流過尾翼收縮段時存在加速。隨著尾部繼續(xù)收縮，來流減速，壓力開始逐漸恢復升高。當來流通過尾翼后，又一個低壓區(qū)出現(xiàn)，這表明探頭尾翼對前方流體有一個抽吸作用，使之有一個加速過程。圖3為探頭表面壓力系數(shù)隨軸向坐標位置變化曲線。圖3很好的反映了流體以來流靜壓沖擊探頭，經(jīng)過頭部和尾翼的低壓加速后，壓力又基本恢復到來流靜壓，其中坐標-450 mm處為探頭頭部位置，0 mm處為探頭尾翼前緣位置。

圖3 XCP表面壓力系數(shù)分布（α=0°）

2.2 XCP探頭在小攻角下流體動力特性

為了獲得XCP探頭在小攻角下的流體動力特性，進一步研究攻角 α=±2°，α=±4°，α=±6°和 α=±8°下的流體動力特性。圖4、圖5模擬出了XCP探頭阻力、升力特性。由圖可知，隨著攻角的增大，阻力系數(shù)和升力系數(shù)也隨之增加。在α=±2°，α=±4°，α=±6°，α=±8°時，阻力曲線呈 U 型，在相同的正負攻角下，阻力絕對值有微小的差別，這可能是由于尾翼的非對稱造成的[7]。升力基本關于α=0°對稱，且基本成線性變化，這說明，在小攻角下，探頭周圍的流動仍然關于對稱面對稱。

圖4 XCP探頭阻力特性

圖5 XCP探頭升力特性

攻角為α=4°，α=6°時的壓力云圖如圖6所示。由圖可以看出,壓力分布不再對稱，圖中α=6°比α=4°壓力分布不對稱性明顯。這給出了升力產(chǎn)生的物理原因[8]。因此攻角的存在不利于探頭在水中保持穩(wěn)定的垂直姿態(tài)下落。

2.3 XCP探頭在較大攻角下流體動力特性

XCP探頭在較大攻角下升力、阻力特性如圖7所示。由圖中升力曲線可見，10°攻角以后升力系數(shù)隨攻角增大而增加。最大升力系數(shù)出現(xiàn)在28°攻角附近，此后，隨著攻角的增加升力系數(shù)迅速減小并趨于零，這可能是由于XCP探頭在攻角為28°附近流體流動發(fā)生分離所致。阻力系數(shù)在小攻角下隨著攻角的增大而增加，在16°，22°和28°攻角附近阻力系數(shù)出現(xiàn)下降趨勢，這可能是探頭表面流體運動使得流動分離趨勢受到抑制，造成了阻力系數(shù)減小，升力系數(shù)提高。探頭處于28°攻角后，阻力系數(shù)增量顯著提高，這可能是由于探頭表面流體發(fā)生流動分離，導致阻力系數(shù)上升很快，進一步證明探頭在28°攻角附近發(fā)生流動分離。

圖6 XCP探頭壓力分布

圖7 XCP探頭不同攻角下升力、阻力特性

圖8為不同攻角下XCP探頭升力變化趨勢圖。由圖8可知，當來流沖擊不同攻角探頭時，升力顯著增加，不利于探頭垂直姿態(tài)下落。但在探頭自身旋轉下落過程中，由于旋轉剛體定軸性和旋轉產(chǎn)生的陀螺效應，探頭對自身姿態(tài)有一定的修正作用，因此在來流通過探頭尾部，攻角小于28°時，升力均有一定減少而后保持一穩(wěn)定值。探頭處于28°攻角時，流體經(jīng)過探頭后升力系數(shù)無法達到穩(wěn)定趨勢反而逐漸增大，可以預測，在探頭傾斜度達到28°后，探頭自身修正能力減小。

圖8 升力變化趨勢圖

3 結論

（1）XCP探頭的穩(wěn)定性除了依賴其本身的外形結構，也與攻角有關。當攻角為0°時，探頭周圍壓力分布情況對稱，穩(wěn)定性好；當攻角不為0°時，攻角能顯著改變壓力分布的對稱性，且攻角越大，不對稱性越明顯，穩(wěn)定性越差。

（2）攻角對XCP探頭的水動力特性有很大影響，0°～10°攻角下，XCP探頭阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨攻角增大而增加，升力系數(shù)基本成線性變化；10°～26°攻角下，XCP探頭升力系數(shù)隨攻角增大而增加，由于探頭表面流體運動對流動分離的抑制作用，阻力系數(shù)在整體增加過程中出現(xiàn)局部減小；攻角在28°附近出現(xiàn)流動分離，阻力系數(shù)上升很快，升力系數(shù)趨近于零。

（3）旋轉下落過程中，探頭對自身姿態(tài)有一定的修正作用，當探頭攻角小于28°時，自身修正作用較好。當探頭攻角達到28°攻角時，探頭自身修正能力基本消失。

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Abstract：The fluid dynamic characteristic of XCP probe was analyzed by numerical simulation at different angles of attack.The relationship between the pressure field and the movement characteristics was obtained.The influence of the drag coefficient and lift coefficient at different angles of attack around the XCP probe was also obtained.The results showed that the angle of attack can obviously change axial symmetry of flow field.At angles of attack 0°to 10°,the drag coefficient and lift coefficient of XCP probe increased with angles of attack linearly.At 10°to 26°,the lift coefficient of XCP probe increased with angles of attack.While the drag coefficient decreased in this place as the trend increased for the restraining influence of surface movement of XCP probe on the flow separation.At 28°,the flow separation phenomena happened,drag coefficient rised quickly with lift coefficient close to zero.Spin of XCP probe had fixed function to the inclined posture,when the angles of attack was more than 28°,the fixed function almost disappear.The results would provide theoretical reference for the stability study of XCP probe.

Key words：XCP probe;drag coefficient;lift coefficient;angles of attack;numerical simulation

Study on Fluid Dynamic Characteristics of XCP Probe at Different Angles of Attack

ZHANG Rui1,CHEN Wen-yi1,LIU Ning2,TAO Jin-liang1,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）

P716

A

1003-2029（2011）01-0037-04

2010-08-25

國家高技術研究發(fā)展計劃（863）資助項目(2006AA09A304)；河北省科學基金資助項目（D2009000035）

張瑞（1984-），男，碩士。研究方向：計算流體力學，過程強化。E-mail:ruizhang2008@sina.com

陳文義（1963-），教授。研究領域：工程中流體力學問題研究，可再生能源，過程強化。E-mail:cwy63@126.com