论文摘要
投弃式海流剖面仪（ExpendableCurrentProfiler,XCP）探头在海洋调查、科学研究以及军事上有着重要应用。21世纪初国内开展了对于XCP探头测量技术的研究,但关于XCP探头水下运动特性方面的数值模拟和试验方面研究在国内仍处于空白状态,国外关于XCP探头水中流体特性的模拟研究也鲜有报道。本文针对XCP探头,利用CFD模拟技术,采用有限体积法结合k?ε湍流模型,对该探头运动特性和流体动力特性进行较系统研究。文中分析了投弃式海洋探头流体特性数值模拟技术的现状,根据XCP探头运动方程和结构特点选择适用于XCP探头的数值模拟方法。（1）获得探头运动过程中深度-时间曲线和雷诺数-阻力系数曲线,与试验数据基本吻合,验证了该模拟方法的正确性。（2）根据XCP探头流场分布,验证了探头结构设计是合理的。探头头部的弧线型设计为探头获得稳定的下落速度起到重要的作用;探头的尾翼虽然牺牲了部分下落速度,却有利于保证探头稳定的垂直下落姿态。（3）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;10°-26°攻角下,XCP探头升力系数随攻角增大而增加,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,当攻角大于28°后,探头失稳。（4）在旋转坐标系下获得无旋转与旋转探头周围流场分布和不同转速下阻力系数和极限速度值。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;随着转速赠大,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,15r/s以上转速时探头下落速度下降的较为显著。（5）海水密度对XCP探头流体动力特性影响较大,温度对其流体动力特性影响基本可以忽略。通过对XCP探头流体动力特性的研究并结合探头自身工作要求,获得其结构参数的一些优化:（1）探头头部弧度设计为27°时,探头在水中所受阻力最小同时又能达到一个较大的下落速度。（2）电极安装位置应尽量在中间过水管前端,可最大程度保证所测信号与所在深度的同步性。（3）探头下落转速选取为13r/s左右可满足0.3m垂直分辨率的要求。
论文目录
摘要abstract第一章 绪论§1-1 投弃式海洋监测探头模拟研究的背景、目的和意义§1-2 国内外研究现状1-2-1 国内外投弃式海洋监测探头研究现状1-2-2 国内外XCP探头模拟研究现状§1-3 XCP探头模拟研究技术路线§1-4 本文主要研究内容第二章 XCP探头流体动力特性数值模拟的理论分析§2-1 XCP探头流体动力特性研究方法概述§2-2 XCP探头模拟计算基本控制方程2-2-1 投弃式海洋探头流体动力计算基本方程2-2-2 不旋转探头采用的控制方程2-2-3 针对XCP探头旋转采用的基本控制方程§2-3 XCP探头基本运动方程2-3-1 探头运动基本方程2-3-2 探头空中运动2-3-3 探头入水瞬间的速度损失2-3-4 探头入水后运动§2-4 本章小结第三章 XCP探头数值计算方法及计算模型建立§3-1 FLUENT商业软件简介§3-2 计算方法与湍流模型3-2-1 有限体积法3-2-2 SIMPLE方法3-2-3 湍流模型3-2-4 二阶迎风格式3-2-5 旋转坐标系§3-3 计算模型建立3-3-1 XCP探头基本参数及模拟计算基本假设3-3-2 XCP探头网格划分3-3-3 计算方法与边界条件§3-4 本章小结第四章 XCP探头流体动力特性数值计算研究§4-1 XCP探头计算方法验证§4-2 XCP探头流场数值模拟研究4-2-1 XCP探头周围流场分布4-2-2 XCP探头头部运动特性分析4-2-3 XCP探头尾翼运动特性分析4-2-4 小结§4-3 XCP探头阻力系数与极限速度研究§4-4 XCP探头运动稳定性研究4-4-1 XCP探头在小攻角下流体动力特性4-4-2 XCP探头在较大攻角下流体动力特性§4-5 旋转对XCP探头运动特性的影响4-5-1 旋转对XCP探头流动特性的影响分析4-5-2 不同转速下XCP探头阻力系数及极限速度变化规律分析4-5-3 XCP探头转速的试验对比§4-6 其他影响因素作用下XP探头流体动力特性研究§4-7 本章小结第五章 XCP探头结构参数优化选择§5-1 XCP探头头部弧度选择§5-2 XCP探头内部电极安装位置选择§5-3 XCP探头下落转速选择§5-4 有待进一步模拟研究的补充§5-5 本章小结第六章结论与展望参考文献致谢攻读学位期间所取得的相关科研成果
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