投弃式海流剖面仪探头流场数值及试验的研究

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1、ThesisSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofChemicalProcessEquipmentNUMERICALANDEXPERIMENTALRESEARCHONFLOWFIELDOFTHEXCPPROBEByZhangMan-manSupervisor:Prof.ChenWenyiAssociateSupervisor:Dr.LiuNingApril2012ThisworkwassupportedbytheNaturalScienceFoundationofHebeiProvinc

2、e.No.D2009000035.河北工业大学硕士论文投弃式海流剖面仪探头流场的数值及试验研究摘要投弃式海流剖面仪（ExpendableCurrentProfiler，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，对探头水下姿态进行理论估算及试验研究是投弃式海流测量技术发展的关键技术之一。本文针对XCP探头水下姿态估算关键技术开展了数值和试验研究。数值计算中，在前处理软件Gambit中绘制出XCP三维计算模型，导入StarCCM+软件中，建立旋转坐标系，设置网格基本参数，

3、采用polyhedral方式生成较理想的体网格。然后采用k−ε两方程湍流模型结合SIMPLE算法，利用有限体积法进行数值模拟计算。分析转速为7.5r/s、10r/s时，XCP探头y=-0.15截面处等压线图和水平流速0.185m/s、0.265m/s下y=-0.15截面处压力图，可知：XCP探头在旋转和水平流速冲刷的共同作用下其姿态发生了侧移，而且探头转速和水平流速越大，流体对探头作用力越大，侧移情况就越明显。试验研究通过搭建试验装置，采用高性能粒子图像测速仪(ParticleImageVelocimetry,PIV)在室内实验水槽进行探头周围流场的测量，分析对比

4、XCP探头静止、旋转流场及0.185m/s、0.265m/s流速下旋转流线图和5r/s、10r/s下探头旋转涡量图。对比发现：据马格努斯效应，在水平流速冲刷下，探头旋转时受到马格努斯力作用。水平流速越大，马格努斯力越大；然而随着探头转速的增加，探头所受到的马格努斯力也显著增加了；同时因为转速的加快，探头下落过程中与流体的摩擦增大，不利于探头的快速下落。因此，不同海流层的水平流速和探头转速是影响探头姿态的关键因素，而且转速的恰当选择对探头的优化设计有重要影响。将试验结果与数值模拟结果进行对比，试验结果所分析的探头周围压力分布与经数值计算得到的探头压力场是一致的，验证

5、了数值计算对影响探头姿态的关键因素的分析，可为探头姿态估计和数据质量补偿提供参考。关键词：XCP探头，数值模拟，PIV，流场，转速，马格努斯效应i投弃式海流剖面仪探头流场的数值及试验研究NUMERICALANDEXPERIMENTALRESEARCHONFLOWFIELDOFTHEXCPPROBEABSTRACTTheXCPprobeisthelatestjettisonmarineprobe,whichhasanimportantstrategicsignificanceinthenationaleconomyandsocialdevelopmentandmil

6、itary.TheattitudeoftheXCPprobeintheseawaterdirectlyaffectsthecurrentmeasurementprecision.Theresearchontheunderwaterattitudeoftheprobebytheoryandexperiment,isoneofthekeytechniquesforthedevelopmentofthecurrentmeasurementtechnology.Inviewofestimatingtheunderwaterattitudeoftheprobe,thispa

7、perhasmadethenumericalandexperimentalresearch.Inthenumericalcalculation,the3DcomputationmodelwasrenderedinthefirstprocessingsoftwareGambit,andthenimportedintheStarCCM+software.Thebasicparametersofmesheswereset,andthenthemoreidealvolumemeshesweregeneratedinthewayofpolyhedral.Thetwoequa

8、tiont