XCP投弃式海洋探头阻力系数数值计算及试验研究

以XCP探头为模型,采用有限体积法结合κ-ε两方程湍流模型,对XCP探头阻力系数进行了数值计算,研究了XCP探头的阻力特性。获得了不同雷诺数下阻力系数的变化趋势和水下稳定运动时的极限速度。结果表明阻力系数随着雷诺数的增加而减小,其数值计算结果与海上实测数据基本吻合,验证了该数值计算方法的正确性,可为XCP探头结构设计提供参考。

投弃式海流电场剖面仪研制

本文分析了投弃式海流电场剖面仪的发展,简介了海流感生电场的基本原理,提出了投弃式海流电场剖面仪的技术方案.根据投弃式海流电场剖面仪的实际需求,研发了XCP海流电场传感器,并通过XCP探头的自旋转(16r/s),实现了将海流电场信号AM调制并频移至海流电场传感器的超低噪声频段,解决了在高噪声背景下快速测量纳伏级微弱海流电场信号.设计实现了XCP探头前端弱信号处理电路,对海流电场微弱信号进行滤波提取的同时可实现对海流电场同向分量进行硬件电路补偿,在一定程度上克服了XCP探头下沉引起感生电场的强干扰.在XCP探头内部采用SoPC技术实现对海流电场信号、罗盘线圈信号和温度信息的快速测量及其数字化处理,并将数字信息以UART协议及LVDS物理层数传方式发送到XCP浮筒端.开创了长度2km、直径0.1mm漆包线动态数据传输技术,解决了XCP探头和XCP浮筒之间的数字化数据传输问题.根据XCP探头所采集的海流电场信号与罗盘线圈信号的同相分量In、正交分量Qn、基线量Bn数据,研究了XCP探测方法,从而计算出了海流的东向与北向相对速度分量VEr、VNr.采用所研发的XCP,在我国南海海域首次采集到海面至海下千米深度的XCP海流电场信息和海洋温度信息.

不同攻角下投弃式海流剖面仪流体动力特性研究

对投弃式海流剖面仪(eXpendable Current Profiler,XCP)不同攻角下流体动力特性进行数值模拟,分析了XCP探头流场压力分布与运动趋势的关系。研究了不同攻角下XCP探头阻力系数和升力系数的变化规律。研究表明,攻角能够明显改变流场的轴对称性。0°～10°攻角下,XCP探头阻力系数和升力系数随攻角增大而增加,且基本成线性变化;10°～26°攻角下,XCP探头升力系数随攻角增大而增加,由于探头表面运动对流动分离的抑制作用,阻力系数在整体增加过程中出现局部降低;28°攻角附近出现流动分离,阻力系数上升很快升力系数趋近于零。探头自身旋转对探头的倾斜姿态有一定修正作用,当攻角大于28°后,自身修正功能基本消失。研究结果为开展XCP探头稳定性试验研究提供理论参考。

旋转对投弃式海洋剖面仪运动特性影响的数值研究

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 CurrentProfiler,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。

投弃式海流剖面仪探头流场数值模拟

以三维Navier-Stokes方程为控制方程,结合k-ε两方程湍流模型,采用隐式有限体积法对投弃式海洋剖面仪(XCP)探头进行数值模拟,分析XCP探头周围流场的分布情况。根据XCP探头周围流场分布,对探头的运动特性,重点是探头的头部和尾翼流场进行分析。研究表明,在探头迎流前端小于10cm处,流体层流边界层发展为湍流边界层,因此探头头部的弧线型设计对于保证探头获得稳定的下落速度作用至关重要,探头尾翼虽然会减小下落速度,但有利于保证探头稳定的垂直下落姿态。研究结果验证了模拟计算方法的准确性,同时为同类探头的优化设计提供了参考依据。

投弃式海流剖面仪探头流场TRPIV测量

投弃式海流剖面仪(eXpendable Current Profiler,XCP)探头是最新型的投弃式海洋环境剖面测量探头,在海洋调查、科学研究以及军事上有着重要应用。XCP探头在海水中的姿态直接影响海流测量精度,因此试验研究探头水下姿态对投弃式海流测量技术发展有重要意义。本文通过搭建试验装置,应用高时间分辨率PIV(Time Resolution Particle Image Velocimetry,TRPIV)技术在室内低速循环水槽测量了XCP探头水平截面的二维瞬时流场和平均流场。分析了不同旋转速度比及雷诺数对流场的影响,进而根据马格努斯效应分析了XCP探头受到的侧向力。试验结果表明,探头受到的侧向力与旋转速度呈正比关系,并且随雷诺数的增加探头受到的侧向力也增加了。据分析结果可知,实际工作中探头穿越不同的海流层下落时受到变化的侧向力作用,并导致其在海水中以倾斜状态下落。试验结果可为XCP探头在下落过程中倾斜情况的估计提供参考和依据。