投棄式海流剖面儀探頭流場的數(shù)值及試驗研究.pdf

1、　　投棄式海流剖面儀(Expendable Current Profiler,XCP)探頭是最新型的投棄式海洋環(huán)境剖面測量探頭,在海洋調(diào)查、科學(xué)研究以及軍事上有著重要應(yīng)用。XCP探頭在海水中的姿態(tài)直接影響海流測量精度,對探頭水下姿態(tài)進(jìn)行理論估算及試驗研究是投棄式海流測量技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　本文針對XCP探頭水下姿態(tài)估算關(guān)鍵技術(shù)開展了數(shù)值和試驗研究。數(shù)值計算中,在前處理軟件Gambit中繪制出XCP三維計算模型,導(dǎo)入St

2、ar CCM+軟件中,建立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,設(shè)置網(wǎng)格基本參數(shù),采用polyhedral方式生成較理想的體網(wǎng)格。然后采用k?ε兩方程湍流模型結(jié)合SIMPLE算法,利用有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬計算。分析轉(zhuǎn)速為7.5 r/s、10 r/s時,XCP探頭y=-0.15截面處等壓線圖和水平流速0.185 m/s、0.265 m/s下y=-0.15截面處壓力圖,可知：XCP探頭在旋轉(zhuǎn)和水平流速沖刷的共同作用下其姿態(tài)發(fā)生了側(cè)移,而且探頭轉(zhuǎn)速和水平流速越大,流

3、體對探頭作用力越大,側(cè)移情況就越明顯。
　　試驗研究通過搭建試驗裝置,采用高性能粒子圖像測速儀(Particle Image Velocimetry, PIV)在室內(nèi)實驗水槽進(jìn)行探頭周圍流場的測量,分析對比XCP探頭靜止、旋轉(zhuǎn)流場及0.185 m/s、0.265 m/s流速下旋轉(zhuǎn)流線圖和5 r/s、10 r/s下探頭旋轉(zhuǎn)渦量圖。對比發(fā)現(xiàn)：據(jù)馬格努斯效應(yīng),在水平流速沖刷下,探頭旋轉(zhuǎn)時受到馬格努斯力作用。水平流速越大,馬格努斯力越大

4、；然而隨著探頭轉(zhuǎn)速的增加,探頭所受到的馬格努斯力也顯著增加了；同時因為轉(zhuǎn)速的加快,探頭下落過程中與流體的摩擦增大,不利于探頭的快速下落。因此,不同海流層的水平流速和探頭轉(zhuǎn)速是影響探頭姿態(tài)的關(guān)鍵因素,而且轉(zhuǎn)速的恰當(dāng)選擇對探頭的優(yōu)化設(shè)計有重要影響。
　　將試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,試驗結(jié)果所分析的探頭周圍壓力分布與經(jīng)數(shù)值計算得到的探頭壓力場是一致的,驗證了數(shù)值計算對影響探頭姿態(tài)的關(guān)鍵因素的分析,可為探頭姿態(tài)估計和數(shù)據(jù)質(zhì)量補償提