XBT探頭外形數(shù)值模擬及實驗研究

徐金隨，程 浩，相 冰，張同喜

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一五研究所，浙江 杭州 310000）

XBT探頭外形數(shù)值模擬及實驗研究

徐金隨，程 浩，相 冰，張同喜

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一五研究所，浙江 杭州 310000）

XBT探頭是一種手持投棄式溫深剖面測量探頭，外形結(jié)構(gòu)直接影響其在水中的運動姿態(tài)，進(jìn)而影響其采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。采用N-S方程及k-ε湍流模型對三種不同外形XBT探頭的壓力場和速度場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了在不同雷諾數(shù)下阻力系數(shù)的變化趨勢，獲得了三種不同外形XBT探頭的運動極限速度。通過分析攻角與升力關(guān)系表明有尾翼探頭能夠獲得穩(wěn)定的垂直下落姿態(tài)。由數(shù)值模擬分析結(jié)果與實驗結(jié)果對比可知極限速度基本相符，驗證了該數(shù)值模擬方法的正確性，可為XBT探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要的理論依據(jù)。

XBT探頭；數(shù)值模擬；阻力系數(shù)；極限速度

投棄式溫深剖面測量儀 (expendable bathythermograph system,簡稱XBT系統(tǒng))是用于快速、經(jīng)濟(jì)地測量海水溫度深度剖面的測量儀器[1]。目前國際XBT市場基本被美國和日本研制的產(chǎn)品所壟斷，比較有代表性的公司有美國的斯皮坎、洛克希德·馬丁公司和日本的鶴見精機(jī)公司。國內(nèi)在20世紀(jì)80年代已起步關(guān)于XBT的研究工作，受制于傳感器的技術(shù)水平和國外相關(guān)技術(shù)的封鎖，研制工作進(jìn)展緩慢，近年來由于在傳感器設(shè)計和制造水平上有較大提升，國產(chǎn)XBT產(chǎn)品在性能上已經(jīng)日臻成熟。

XBT為走航式測量系統(tǒng)，在艦船航行時測量目標(biāo)水域的溫深，由手持發(fā)射器發(fā)射，落入目標(biāo)水域。由于XBT探頭為無動力裝置，因此其在水中的姿態(tài)影響其運動速度的穩(wěn)定性。XBT的結(jié)構(gòu)外形，影響其在水中的姿態(tài)，進(jìn)而影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。入水后達(dá)到設(shè)定勻速的時間越短，傳感器采集的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確[2]。因此研究XBT的外形結(jié)構(gòu)及流場分布情況對其運動狀態(tài)分析具有重要意義。本文利用fluent軟件分析不同外形結(jié)構(gòu)形式對流場分布、阻力系數(shù)、阻力和升力的影響情況，對XBT探頭在水中的運動規(guī)律分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的理論參考[3-4]。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 連續(xù)性方程N-S

1.2 湍流模型

探頭的運動環(huán)境為粘性、不可壓縮非穩(wěn)態(tài)流場，應(yīng)用k-ε湍流模型，其中k為紊流脈動動能（J），ε為紊流脈動動能的耗散率（%）。

2 XBT系統(tǒng)示意圖

光纖XBT系統(tǒng)[6]由解調(diào)處理器、發(fā)射器、探頭筒及入水探頭4部分組成，如圖1所示入水探頭主要由導(dǎo)流頭、光纖光柵傳感組件、下光纖卷、導(dǎo)流罩組成。在艦船航行過程中，將探頭固定在發(fā)射器上，手持發(fā)射器拔下探頭上的釋放銷釘，入水探頭脫離探頭筒墜入待測區(qū)域，上下光纖卷同時釋放光纖，入水探頭在下落過程中傳感器組件將測得的溫度、壓力信號通過光纖傳輸至海面艦船艙室里的解調(diào)處理器進(jìn)行信號處理。入水探頭到達(dá)目標(biāo)深度后光纖拉斷，解調(diào)處理器對探頭傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行處理、分析，最后轉(zhuǎn)換為所需的溫深曲線[7]。

圖1 XBT探頭結(jié)構(gòu)示意圖

3 數(shù)值模擬探頭外形影響分析

3.1 壓力場和速度場仿真

圓柱形、有尾翼形、無尾翼形探頭分別定義為a，b，c型探頭。設(shè)定XBT探頭的迎流速度為3 m/s，對3種外形探頭進(jìn)行計算模擬。如圖2（a）～（c）分別為3種外形探頭軸截面壓力場分布示意圖和速度分布示意圖。

圖2 3種外形探頭壓力場和速度場

3種探頭在頭部附近都形成了一個局部靜壓高于來流靜壓的高壓區(qū)[8]，其中a型探頭最為明顯，范圍較大，b，c型探頭高壓區(qū)較a型探頭則小得多。這種局部高壓區(qū)的現(xiàn)象也是探頭形成壓差阻力的重要原因。a，b，c型探頭，海水沿探頭頭部逐漸出現(xiàn)流體分離現(xiàn)象，壓力迅速降低，形成了一個局部低壓區(qū)。這說明海水通過頭部有一個很明顯的加速過程。a型探頭相較于b，c型探頭在探頭尾部有一個很明顯、范圍較大的低壓區(qū)，b型探頭較于c型探頭尾部低壓區(qū)范圍較大但并不明顯，這也說明有尾翼探頭所受阻力大于無尾翼探頭。

3.2 阻力系數(shù)與雷諾數(shù)數(shù)值分析

阻力系數(shù)是探頭下沉運動的一個重要表征參數(shù)[9]，如圖3所示為探頭下沉過程中阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化情況。

從圖中可以看出a型探頭阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加幾乎不變，b型、c型探頭阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而減小，最后變化趨勢趨于緩慢。在整個雷諾數(shù)的變化范圍內(nèi)a型探頭阻力系數(shù)始終遠(yuǎn)大于b型、c型探頭阻力系數(shù)，當(dāng)0.6×105＜Re＜2.8×105時，b型探頭阻力系數(shù)略大于c型探頭阻力系數(shù)，且都呈減小趨勢。當(dāng)2.8×105＜Re＜3.8×105時，b型探頭阻力系數(shù)仍然略大于c型探頭阻力系數(shù)，兩種探頭阻力系數(shù)保持減小趨勢，但變化趨勢趨于緩慢。這說明b型、c型探頭在下沉初始時差別較大，之后的下沉過程差別稍小。

圖3 三種外形探頭阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系

3.3 來流速度與所受阻力數(shù)值分析

根據(jù)探頭運動方程[10]可以看出，當(dāng)探頭下沉阻力達(dá)到δ=Mg-f（其中f為探頭所受浮力，δ為探頭所受阻力）時，探頭受力達(dá)到平衡，達(dá)到極限速度，保持極限速度下沉。

圖4 3種探頭來流速度與所受阻力關(guān)系

結(jié)合圖4可以得出a，b，c型探頭其極限速度分別為2.1 m/s，4.6 m/s，4.9 m/s。由此可知有尾翼會減小探頭最終的下落速度。

3.4 攻角與升力關(guān)系數(shù)值分析

當(dāng)來流方向與探頭軸線成一定夾角，由于探頭所受升力的方向與速度垂直，容易造成探頭在下落過程中出現(xiàn)傾斜[11]。

圖5為XBT探頭在有尾翼和無尾翼情況下的升力隨攻角變化曲線，從圖中可以看出在相同攻角情況下，無尾翼探頭所受升力明顯大于有尾翼探頭所受升力，隨著攻角增大這種趨勢愈發(fā)明顯。因此，有尾翼探頭雖然會減小最終下落速度，但對探頭在水中保持穩(wěn)定的垂直下落姿態(tài)具有重要作用。

圖5 3種探頭攻角與所受升力關(guān)系

4 實驗結(jié)果分析

由數(shù)值模擬分析可知，流線型的設(shè)計有利于減小所受阻力，獲得較大的穩(wěn)定極限速度，有尾翼設(shè)計能夠穩(wěn)定探頭在下落過程中的姿態(tài)。實驗中以流線型有尾翼探頭為模型進(jìn)行實驗。

將發(fā)射器固定在離海平面一定高度，拉開銷軸釋放探頭，探頭到達(dá)預(yù)訂深度后光纖自動拉斷，收集并處理探頭傳回來的數(shù)據(jù)得到時間與深度曲線。

圖6 實驗深度曲線

如圖6所示曲線，從圖中可以看出探頭在4.5 s時開始做自由落體運動，在5 s左右墜海，此時曲線成一個尖峰狀態(tài)，說明探頭在墜入海中時具有不穩(wěn)定性，之后探頭以一定速度勻速下落。

圖7 實驗速度曲線

對圖6曲線進(jìn)行求導(dǎo)，擬合得到如圖7曲線，從圖中可以看出探頭入水后極限速度為4.5 m/s左右，與理論數(shù)值分析相對誤差為2.2%，說明探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

5 結(jié)論

（1）XBT探頭主體采用流線型設(shè)計，探頭在下落過程中周圍流場分布均勻，有利于探頭獲得穩(wěn)定的下落速度和下落姿態(tài)。

（2）在探頭下落過程中，外形對其阻力系數(shù)影響較大，圓柱形探頭阻力系數(shù)遠(yuǎn)大于水滴形探頭，且?guī)缀鯚o變化。當(dāng)Re達(dá)到2.8×105后，有尾翼探頭和無尾翼探頭阻力系數(shù)變化趨于緩慢，這兩種探頭在下沉初始時差別較大，之后的下沉過程差別稍小。

（3）在相同重量時，3種外形探頭下沉最終速度差別較大，有尾翼探頭會減小其下沉極限速度，但對探頭在水中保持穩(wěn)定的垂直下落姿態(tài)起重要作用。

實驗利用有尾翼探頭模型對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證，說明設(shè)計的合理性。3種探頭的仿真結(jié)果對比表明，水滴形有尾翼探頭符合設(shè)計要求，但是仍然存在流體分離現(xiàn)象，對后續(xù)XBT探頭的形態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化、材料的選擇具有重要的理論指導(dǎo)意義。由于探頭入水過程存在采集數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，后期工作將對這一過程進(jìn)行深入研究。

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[3]薛勁櫓,張兵志,徐國英.Fluent在汽車氣動特性研究中的應(yīng)用[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報,2009,03:33-37.

[4]劉孟德,陳維山,劉杰.基于CFD的投棄式溫深計探頭流場分析[J].山東科學(xué),2012,05:22-24+29.

[5]游洋.蒸汽冷卻葉片數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2011.

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Numerical Simulation and Experimental Study of the Shape of XBT Probe

XU Jin-sui，CHENG Hao，XIANG Bing，ZHANG Tong-xi
China Shipbuilding Industry Corporation,The 715 Research Institute，Hangzhou 310000，Zhejiang Province,China

XBT probe is a kind of hand-held disposable temperature and depth profiling probe.The shape of the XBT probe directly affects its motion posture in water,thus having effects on the accuracy of the acquired data. The pressure field and velocity field of three different XBT probes are numerically simulated by the N-S equation and k-ε turbulence model.The variation trend of the resistance coefficient under different Reynolds numbers has been studied,obtaining the motion limit speeds of the three different XBT probes.Combined with the relationship between the angle of attack and lift,it is showed that the probe with a tail has a stable vertical drop attitude.The numerical simulation results are in good consistency with the experimental results in limit speed.This paper verifies the correctness of the numerical simulation method,which can provide an important theoretical guidance for the structural design of XBT probes.

XBT probe;numerical simulation;drag coefficient;limit velocity

P716+.1

A

1003-2029（2017）02-0060-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.010

2016-11-10

徐金隨（1988-），男，碩士，助理工程師，主要研究方向為流體動力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail：xjs127@126.com

程浩（1981-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為流體動力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail：chenghao_ren@163.com