XBT探頭外形數值模擬及實驗研究

徐金隨，程 浩，相 冰，張同喜

（中國船舶重工集團公司 第七一五研究所，浙江 杭州 310000）

XBT探頭外形數值模擬及實驗研究

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，外形結構直接影響其在水中的運動姿態，進而影響其采集數據的準確性。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行數值模擬，研究了在不同雷諾數下阻力系數的變化趨勢，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系表明有尾翼探頭能夠獲得穩定的垂直下落姿態。由數值模擬分析結果與實驗結果對比可知極限速度基本相符，驗證了該數值模擬方法的正確性，可為XBT探頭的結構設計提供重要的理論依據。

XBT探頭；數值模擬；阻力系數；極限速度

投棄式溫深剖面測量儀 (expendable bathythermograph system,簡稱XBT系統)是用于快速、經濟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公司。國內在20世紀80年代已起步關于XBT的研究工作，受制于傳感器的技術水平和國外相關技術的封鎖，研制工作進展緩慢，近年來由于在傳感器設計和制造水平上有較大提升，國產XBT產品在性能上已經日臻成熟。

XBT為走航式測量系統，在艦船航行時測量目標水域的溫深，由手持發射器發射，落入目標水域。由于XBT探頭為無動力裝置，因此其在水中的姿態影響其運動速度的穩定性。XBT的結構外形，影響其在水中的姿態，進而影響采集數據的準確性。入水后達到設定勻速的時間越短，傳感器采集的數據越準確[2]。因此研究XBT的外形結構及流場分布情況對其運動狀態分析具有重要意義。本文利用fluent軟件分析不同外形結構形式對流場分布、阻力系數、阻力和升力的影響情況，對XBT探頭在水中的運動規律分析及其結構優化提供一定的理論參考[3-4]。

1 數學模型

1.1 連續性方程N-S

1.2 湍流模型

探頭的運動環境為粘性、不可壓縮非穩態流場，應用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系統示意圖

光纖XBT系統[6]由解調處理器、發射器、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流頭、光纖光柵傳感組件、下光纖卷、導流罩組成。在艦船航行過程中，將探頭固定在發射器上，手持發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處理器進行信號處理。入水探頭到達目標深度后光纖拉斷，解調處理器對探頭傳輸的信號進行處理、分析，最后轉換為所需的溫深曲線[7]。

圖1 XBT探頭結構示意圖

3 數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。設定XBT探頭的迎流速度為3 m/s，對3種外形探頭進行計算模擬。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[8]，其中a型探頭最為明顯，范圍較大，b，c型探頭高壓區較a型探頭則小得多。這種局部高壓區的現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流體分離現象，壓力迅速降低，形成了一個局部低壓區。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，b型探頭較于c型探頭尾部低壓區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 阻力系數與雷諾數數值分析

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

從圖中可以看出a型探頭阻力系數隨著雷諾數的增加幾乎不變，b型、c型探頭阻力系數隨著雷諾數的增加而減小，最后變化趨勢趨于緩慢。在整個雷諾數的變化范圍內a型探頭阻力系數始終遠大于b型、c型探頭阻力系數，當0.6×105＜Re＜2.8×105時，b型探頭阻力系數略大于c型探頭阻力系數，且都呈減小趨勢。當2.8×105＜Re＜3.8×105時，b型探頭阻力系數仍然略大于c型探頭阻力系數，兩種探頭阻力系數保持減小趨勢，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與雷諾數關系

3.3 來流速度與所受阻力數值分析

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

圖4 3種探頭來流速度與所受阻力關系

結合圖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 攻角與升力關系數值分析

當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定的垂直下落姿態具有重要作用。

圖5 3種探頭攻角與所受升力關系

4 實驗結果分析

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

將發射器固定在離海平面一定高度，拉開銷軸釋放探頭，探頭到達預訂深度后光纖自動拉斷，收集并處理探頭傳回來的數據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，說明探頭在墜入海中時具有不穩定性，之后探頭以一定速度勻速下落。

圖7 實驗速度曲線

對圖6曲線進行求導，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，與理論數值分析相對誤差為2.2%，說明探頭結構設計合理。

5 結論

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

（2）在探頭下落過程中，外形對其阻力系數影響較大，圓柱形探頭阻力系數遠大于水滴形探頭，且幾乎無變化。當Re達到2.8×105后，有尾翼探頭和無尾翼探頭阻力系數變化趨于緩慢，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定的垂直下落姿態起重要作用。

實驗利用有尾翼探頭模型對仿真結果進行了驗證，說明設計的合理性。3種探頭的仿真結果對比表明，水滴形有尾翼探頭符合設計要求，但是仍然存在流體分離現象，對后續XBT探頭的形態結構設計和優化、材料的選擇具有重要的理論指導意義。由于探頭入水過程存在采集數據的不穩定性，后期工作將對這一過程進行深入研究。

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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與結構設計。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與結構設計。E-mail：chenghao_ren@163.com