旋转对投弃式海洋剖面仪运动特性影响的数值研究

陈文义 ，张 瑞 ，刘 宁 ，张曼曼

（1.河北工业大学过程装备与控制工程系，天津 300130;2.国家海洋技术中心，天津 300112）

旋转对投弃式海洋剖面仪运动特性影响的数值研究

陈文义1，张 瑞1，刘 宁2，张曼曼1

（1.河北工业大学过程装备与控制工程系，天津 300130;2.国家海洋技术中心，天津 300112）

在旋转坐标系下，采用有限体积法结合两方程k-ε湍流模型，对投弃式海流剖面仪(eXpendable Current Profiler，XCP)探头三维流场进行数值模拟。研究旋转对XCP探头流动特性的影响，对比分析了无旋转与旋转下探头周围流场分布，数值计算得到了不同转速下阻力系数和极限速度。研究表明，旋转会使探头整个流场增加周向速度分量，减小探头的下落速度；随着转速增大，探头的阻力系数随之增加，水下稳定运动时的极限速度减小。低转速下探头下落速度减小并不明显，15 r/s以上转速时探头下落速度下降的较为显著。研究结果与海上试验结果对比，极限速度基本吻合，验证了该数值模拟方法的正确性，为选择合理的探头转速提供参考。

XCP探头；阻力系数；极限速度；转速

XCP投弃式海洋探头是一种新型、可快速获得海洋环境剖面参数的一次性设备。探头在水中自由释放后旋转下沉，由探头上安装的传感器获得某一深度上海流和温度信息；海洋环境信息经处理器处理，通过信号传输线传送，并由水面接收机接收[1]。在此过程中，保障下落速度的是XCP探头头部的配重，保障探头旋转的是尾部旋翼。

XCP探头的旋转下落使探头内部电极上获得交流信号。它比直接下落所测得的信号更易识别，采用锁相放大电路即可实现微弱信号的有效放大，得到海流的幅值信息。为使信号放大有效，必须保证探头稳定的旋转速度。因此研究旋转对探头流动特性影响，不但可以获得旋转探头流场分布及水动力特性，而且可以根据XCP探头设计所需满足的垂直分辨率要求，选择合适的探头转速。为了研究旋转对XCP探头水下运动特性的影响，本文采用隐式有限体积法，数值分析了旋转对XCP探头流场分布的影响及转速对XCP探头水动力特性的作用，并进行了转速的合理化选择。研究结果对XCP探头优化设计和进一步海上试验具有重要现实意义。

1 数值模型

1.1 计算模型

XCP探头全长460 mm，采取流线型主体和非对称旋转尾翼设计。整个探头可分为头部、圆柱筒身、中间过水管和尾部4部分，尾部旋转尾翼由4片叶片组成，简化后的模型如图1所示。

图1 XCP探头计算模型

1.2 控制方程

对于旋转XCP探头流场的计算，使用相对参考系更为方便。在相对参考系中，探头及计算网格是不转的，这样带来的好处是不需要作动网格计算，并且，在旋转坐标系下，绕旋转探头的流场可看为定常的，可以使用适于定常问题的当地时间步长法和多重网格法等加速收敛技术[2]。

旋转坐标系三维Navier-Stokes[3]表达式：

其中：

式中：J为Jacobian行列式；Ω为坐标系绕旋转轴角速度。方程(1)的左端和惯性坐标系中Navier-Stokes方程在形式上相同，但速度为相对速度，且方程右端增加了一个与旋转有关的原项Sˆ。方程各项含义见文献[3]。

1.3 网格划分

网格划分如图2所示。为了保证探头流场充分展开，以XCP探头为几何中心，取10倍轴向长度，10倍径向长度的圆柱体区域作为计算域。为控制数值模拟中网格数量和计算质量，取1.5倍轴向长度，1.4倍径向长度的小圆柱体作为网格加密区域[4]。采用分体网格画法，共生成112万个非结构计算网格。

图2 XCP探头网格简图

1.4 计算方法与计算条件

计算模型采用有限体积法求解。在旋转坐标系SRF中进行流动计算，由于高速旋转会产生一个很大的径向压力梯度，从而推动流体向轴向和径向流动，导致求解过程不稳定，因此使用相对速度定义。湍流模型采用考虑坐标系旋转的可实现性k-ε模型。压力和速度的耦合求解采用SIMPLE算法，空间离散采用二阶迎风格式。计算域进、出口设置分别为速度入口和压力出口。为加快计算速度，采用Reorder处理[5]。

2 数值模拟结果分析

2.1 旋转对XCP探头流动特性的影响分析

图3、图4分别为XCP探头无旋转与旋转下探头表面流体动压力分布和静压力分布。由图可知，旋转探头与不旋转探头流体压力分布规律基本一致，旋转探头表面动压力较无旋转时，有一定偏转，探头表面流场增加了周向分量。旋转探头流体静压力较无旋转时压力等势线分布不规则，整体探头表面流体压力变大，造成了旋转时探头表面速度的减少。

图3 XCP探头表面流体动压力云图

图4 XCP探头表面压力云图

2.2 不同转速下XCP探头阻力系数及极限速度变化规律分析

不同转速下XCP探头阻力系数曲线如图5所示。阻力系数基本呈线性分布。同一来流流速下，阻力系数随探头转速增加而增大；同一转速下，阻力系数随来流速度增大而减小。

XCP探头在水中的下落速度有一定的极限，当阻力D=Mg-Ff时，即可获得探头水下的极限速度。根据图5可以得到不同转速下的速度-阻力拟合曲线，如图6所示。由图6可知，不同转速下阻力拟合曲线基本呈线性关系，转速越大，探头所受阻力越大。当阻力D=Mg-Ff时获得各转速下极限速度如表1所示。

图5 不同转速下XCP探头阻力系数变化曲线

图6 不同转速下的速度-阻力拟合曲线

表1 不同转速下的极限速度、落速偏差

由表1可见，随着转速的增加，探头在水中极限速度减小，原因在于当转速变快，探头与水的摩擦更为剧烈，导致探头摩擦阻力增加。落速偏差指的是探头在不同转速下的极限速度与探头在零转速时极限速度的差值。通过落速偏差可知，转速较低时，探头下落速度减小并不明显；15 r/s以上转速时探头下落速度下降较为显著。

2.3 XCP探头转速的试验对比及合理化选择

高速旋转的刚体具有定轴性，即旋转轴受到小的扰动时能保持方向不变，提高稳定性[6]。XCP探头属于绕自身轴线自转刚体，转速越大，摆动角越小，稳定性越好，但同时增加了探头的阻力系数，不利于探头的快速下落；转速越小，摆动角越大，稳定性变差，但减小了探头的阻力系数，利于探头的快速下落。因此选择合适的转速下落对探头的优化设计起得了重要作用。

某新型XCP探头于2009年秋在南海海域进行了海上试验，获得16 r/s转速下极限速度为3.799 2 m/s。16 r/s转速下数值计算得到的极限速度为3.850 8 m/s，模拟结果与试验结果基本吻合。由于模拟结果未考虑线圈释放造成的排水体积减小和海水密度变化等因素，造成模拟所得极限速度比海上试验结果偏高。XCP探头旋转一周完成一次测量，设备的垂直分辨率就是探头旋转一周下落的距离。假设XCP探头需要达到0.3 m[7]垂直分辨率，根据表1模拟结果，探头转速为13 r/s左右可满足0.3 m垂直分辨率的要求。

3 结论

(1)旋转XCP探头与不旋转XCP探头表面流场分布规律基本一致，旋转增加了探头表面压力，表面流场增加了周向分量，减小了探头表面运动速度。

(2)转速对XCP探头阻力系数影响较大，阻力系数随探头转速的增加而增大，随来流速度的增加而减少。

(3)转速对XCP探头水下极限速度起着重要作用，探头转速越大，在水中极限速度越小。低转速下探头下落速度减小并不明显，针对本文所用XCP探头，当转速超过15 r/s后探头下落速度下降的较为显著。

(4)数值模拟结果与海上试验获得的极限速度基本吻合。验证了该数值模拟方法的正确性。

[1]肖鸿,刘长根,陶建华.抛弃式温盐探头阻力系数的数值模拟及其实验验证[J].海洋技术,2006,25(1)：35-37.

[2]王树军,胡俊,吴甲生,等.旋转导弹横向侧喷/超声速来流干扰数值模拟[J].兵工学报,2008,29(10)：1220-1223.

[3]王树军.旋转导弹横向侧喷干扰流场数值模拟[D].北京：北京理工大学,2008.

[4]刘曜,刘志柱.某水下航行体尾翼展开过程中流场的数值模拟[J].力学与实践,2006,28(4)：21-22.

[5]于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社,2008.

[6]费祥麟.高等流体力学[M].西安：西安交通大学出版社,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

国家高技术研究发展计划（863）资助项目(2006AA09A304)；河北省自然基金项目（D2009000035）

陈文义（1963-），男，教授，主要研究领域为工程中流体力学问题研究，可再生能源，过程强化。Email：cwy63@126.com