不同攻角下投棄式海流剖面儀流體動(dòng)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(xué) 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）

不同攻角下投棄式海流剖面儀流體動(dòng)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(xué) 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）

對投棄式海流剖面儀（eXpendable Current Profiler，XCP）不同攻角下流體動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了XCP探頭流場壓力分布與運(yùn)動(dòng)趨勢的關(guān)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(yùn)動(dòng)對流動(dòng)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(dòng)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(zhuǎn)對探頭的傾斜姿態(tài)有一定修正作用，當(dāng)攻角大于28°后，自身修正功能基本消失。研究結(jié)果為開展XCP探頭穩(wěn)定性試驗(yàn)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(shè)備，可以直接服務(wù)于海洋調(diào)查、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、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(jī)接收。

海流信號通過XCP探頭內(nèi)部兩個(gè)平行放置的電極采集，如果探頭垂直姿態(tài)發(fā)生偏移會(huì)造成兩個(gè)電極采集的海流信號不同步，導(dǎo)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(dòng)力特性是探頭設(shè)計(jì)者必須考慮的問題。目前，XCP探頭流體動(dòng)力特性基本是通過經(jīng)驗(yàn)或海上實(shí)際投放得到。XCP探頭海上試驗(yàn)所需經(jīng)費(fèi)高，周期長，并且受季節(jié)、環(huán)境等復(fù)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(dòng)力特性不但可以節(jié)約研究成本而且可以克服海上試驗(yàn)所面臨的諸多困難。國內(nèi)外運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究XCP探頭運(yùn)動(dòng)問題還處于空白。本文對XCP探頭0°攻角和不同攻角下流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，分析了0°攻角下探頭壓力分布及運(yùn)動(dòng)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(jié)果對深入研究XCP探頭的穩(wěn)定性問題具有重要的實(shí)際意義和參考價(jià)值。

1 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算域

1.1 控制方程

對于旋轉(zhuǎn)XCP探頭流場的計(jì)算，使用相對參考系更為方便。在相對參考系中，探頭及計(jì)算網(wǎng)格是不轉(zhuǎn)的，這樣帶來的好處是不需要作動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算。

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系三維Navier-Stokes方程[2]表達(dá)式：

J為Jacobian行列式；Ω為坐標(biāo)系繞旋轉(zhuǎn)軸角速度。

方程(1)的左端和慣性坐標(biāo)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(gè)與旋轉(zhuǎn)有關(guān)的原項(xiàng)S^。方程各項(xiàng)含義詳見文獻(xiàn)[2]。

1.2 計(jì)算模型與計(jì)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(xì)微的表面結(jié)構(gòu)對探頭流場及流動(dòng)動(dòng)力特性影響很小，因此本文在建立計(jì)算模型時(shí)，對探頭試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥髁司植亢喕幚恚鐖D1所示，探頭總長460 mm，最大截面直徑51 mm。計(jì)算模型采用隱式有限體積法求解，湍流模型選用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的可實(shí)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(fēng)格式[5]。

圖1 XCP探頭計(jì)算模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 XCP探頭0°攻角下流動(dòng)特性

探頭的流體動(dòng)力特性取決于其表面流體的壓力分布，該壓力分布反應(yīng)了流體流過探頭的流動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。當(dāng)流體流經(jīng)探頭時(shí)，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(huì)形成一個(gè)局部靜壓高于來流靜壓的正壓駐點(diǎn)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(zhuǎn)折點(diǎn)處壓力達(dá)到最小值、速度最大。此后壓力開始恢復(fù)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(gè)較大的低壓區(qū)，說明來流流過尾翼收縮段時(shí)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(fù)升高。當(dāng)來流通過尾翼后，又一個(gè)低壓區(qū)出現(xiàn)，這表明探頭尾翼對前方流體有一個(gè)抽吸作用，使之有一個(gè)加速過程。圖3為探頭表面壓力系數(shù)隨軸向坐標(biāo)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(fù)到來流靜壓，其中坐標(biāo)-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(dòng)力特性

為了獲得XCP探頭在小攻角下的流體動(dòng)力特性，進(jìn)一步研究攻角 α=±2°，α=±4°，α=±6°和 α=±8°下的流體動(dòng)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(shí)，阻力曲線呈 U 型，在相同的正負(fù)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(guān)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(dòng)仍然關(guān)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)使得流動(dòng)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(dòng)分離，導(dǎo)致阻力系數(shù)上升很快，進(jìn)一步證明探頭在28°攻角附近發(fā)生流動(dòng)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(dāng)來流沖擊不同攻角探頭時(shí)，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(zhuǎn)下落過程中，由于旋轉(zhuǎn)剛體定軸性和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)，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(shí)，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(shí)，流體經(jīng)過探頭后升力系數(shù)無法達(dá)到穩(wěn)定趨勢反而逐漸增大，可以預(yù)測，在探頭傾斜度達(dá)到28°后，探頭自身修正能力減小。

圖8 升力變化趨勢圖

3 結(jié)論

（1）XCP探頭的穩(wěn)定性除了依賴其本身的外形結(jié)構(gòu)，也與攻角有關(guān)。當(dāng)攻角為0°時(shí)，探頭周圍壓力分布情況對稱，穩(wěn)定性好；當(dāng)攻角不為0°時(shí)，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(dòng)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(yùn)動(dòng)對流動(dòng)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(dòng)分離，阻力系數(shù)上升很快，升力系數(shù)趨近于零。

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

[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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].海洋技術(shù),2006，25(3):35-37.

[2]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(xué),2008.

[3]童秉綱.魚類波狀游動(dòng)的推薦機(jī)制[J].力學(xué)與實(shí)踐,2000,22(3):69-74.

[4]B E Launder,D B Spalding.The Numerical Computation of Turbulent Flows[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1974,3:269-289.

[5]于勇.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2008.

[6]何文生.對轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)魚類的流體動(dòng)力特性數(shù)值計(jì)算研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[7]熊天紅,易文俊,吳軍基，等.小攻角下水下高速航行體超空泡流特性研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2009,31(5):29-30.

[8]Richard W lancaster.Brief Report on Wind Tunnel Testing of Present and New XCP[J].Bodies Sippican Ocean Systems,1982,18:2-3.

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(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）資助項(xiàng)目(2006AA09A304)；河北省科學(xué)基金資助項(xiàng)目（D2009000035）

張瑞（1984-），男，碩士。研究方向：計(jì)算流體力學(xué)，過程強(qiáng)化。E-mail:ruizhang2008@sina.com

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