XBT探头外形数值模拟及实验研究

徐金随，程 浩，相 冰，张同喜

（中国船舶重工集团公司 第七一五研究所，浙江 杭州 310000）

XBT探头外形数值模拟及实验研究

徐金随，程 浩，相 冰，张同喜

（中国船舶重工集团公司 第七一五研究所，浙江 杭州 310000）

XBT探头是一种手持投弃式温深剖面测量探头，外形结构直接影响其在水中的运动姿态，进而影响其采集数据的准确性。采用N-S方程及k-ε湍流模型对三种不同外形XBT探头的压力场和速度场进行数值模拟，研究了在不同雷诺数下阻力系数的变化趋势，获得了三种不同外形XBT探头的运动极限速度。通过分析攻角与升力关系表明有尾翼探头能够获得稳定的垂直下落姿态。由数值模拟分析结果与实验结果对比可知极限速度基本相符，验证了该数值模拟方法的正确性，可为XBT探头的结构设计提供重要的理论依据。

XBT探头；数值模拟；阻力系数；极限速度

投弃式温深剖面测量仪 (expendable bathythermograph system,简称XBT系统)是用于快速、经济地测量海水温度深度剖面的测量仪器[1]。目前国际XBT市场基本被美国和日本研制的产品所垄断，比较有代表性的公司有美国的斯皮坎、洛克希德·马丁公司和日本的鹤见精机公司。国内在20世纪80年代已起步关于XBT的研究工作，受制于传感器的技术水平和国外相关技术的封锁，研制工作进展缓慢，近年来由于在传感器设计和制造水平上有较大提升，国产XBT产品在性能上已经日臻成熟。

XBT为走航式测量系统，在舰船航行时测量目标水域的温深，由手持发射器发射，落入目标水域。由于XBT探头为无动力装置，因此其在水中的姿态影响其运动速度的稳定性。XBT的结构外形，影响其在水中的姿态，进而影响采集数据的准确性。入水后达到设定匀速的时间越短，传感器采集的数据越准确[2]。因此研究XBT的外形结构及流场分布情况对其运动状态分析具有重要意义。本文利用fluent软件分析不同外形结构形式对流场分布、阻力系数、阻力和升力的影响情况，对XBT探头在水中的运动规律分析及其结构优化提供一定的理论参考[3-4]。

1 数学模型

1.1 连续性方程N-S

1.2 湍流模型

探头的运动环境为粘性、不可压缩非稳态流场，应用k-ε湍流模型，其中k为紊流脉动动能（J），ε为紊流脉动动能的耗散率（%）。

2 XBT系统示意图

光纤XBT系统[6]由解调处理器、发射器、探头筒及入水探头4部分组成，如图1所示入水探头主要由导流头、光纤光栅传感组件、下光纤卷、导流罩组成。在舰船航行过程中，将探头固定在发射器上，手持发射器拔下探头上的释放销钉，入水探头脱离探头筒坠入待测区域，上下光纤卷同时释放光纤，入水探头在下落过程中传感器组件将测得的温度、压力信号通过光纤传输至海面舰船舱室里的解调处理器进行信号处理。入水探头到达目标深度后光纤拉断，解调处理器对探头传输的信号进行处理、分析，最后转换为所需的温深曲线[7]。

图1 XBT探头结构示意图

3 数值模拟探头外形影响分析

3.1 压力场和速度场仿真

圆柱形、有尾翼形、无尾翼形探头分别定义为a，b，c型探头。设定XBT探头的迎流速度为3 m/s，对3种外形探头进行计算模拟。如图2（a）～（c）分别为3种外形探头轴截面压力场分布示意图和速度分布示意图。

图2 3种外形探头压力场和速度场

3种探头在头部附近都形成了一个局部静压高于来流静压的高压区[8]，其中a型探头最为明显，范围较大，b，c型探头高压区较a型探头则小得多。这种局部高压区的现象也是探头形成压差阻力的重要原因。a，b，c型探头，海水沿探头头部逐渐出现流体分离现象，压力迅速降低，形成了一个局部低压区。这说明海水通过头部有一个很明显的加速过程。a型探头相较于b，c型探头在探头尾部有一个很明显、范围较大的低压区，b型探头较于c型探头尾部低压区范围较大但并不明显，这也说明有尾翼探头所受阻力大于无尾翼探头。

3.2 阻力系数与雷诺数数值分析

阻力系数是探头下沉运动的一个重要表征参数[9]，如图3所示为探头下沉过程中阻力系数随雷诺数的变化情况。

从图中可以看出a型探头阻力系数随着雷诺数的增加几乎不变，b型、c型探头阻力系数随着雷诺数的增加而减小，最后变化趋势趋于缓慢。在整个雷诺数的变化范围内a型探头阻力系数始终远大于b型、c型探头阻力系数，当0.6×105＜Re＜2.8×105时，b型探头阻力系数略大于c型探头阻力系数，且都呈减小趋势。当2.8×105＜Re＜3.8×105时，b型探头阻力系数仍然略大于c型探头阻力系数，两种探头阻力系数保持减小趋势，但变化趋势趋于缓慢。这说明b型、c型探头在下沉初始时差别较大，之后的下沉过程差别稍小。

图3 三种外形探头阻力系数与雷诺数关系

3.3 来流速度与所受阻力数值分析

根据探头运动方程[10]可以看出，当探头下沉阻力达到δ=Mg-f（其中f为探头所受浮力，δ为探头所受阻力）时，探头受力达到平衡，达到极限速度，保持极限速度下沉。

图4 3种探头来流速度与所受阻力关系

结合图4可以得出a，b，c型探头其极限速度分别为2.1 m/s，4.6 m/s，4.9 m/s。由此可知有尾翼会减小探头最终的下落速度。

3.4 攻角与升力关系数值分析

当来流方向与探头轴线成一定夹角，由于探头所受升力的方向与速度垂直，容易造成探头在下落过程中出现倾斜[11]。

图5为XBT探头在有尾翼和无尾翼情况下的升力随攻角变化曲线，从图中可以看出在相同攻角情况下，无尾翼探头所受升力明显大于有尾翼探头所受升力，随着攻角增大这种趋势愈发明显。因此，有尾翼探头虽然会减小最终下落速度，但对探头在水中保持稳定的垂直下落姿态具有重要作用。

图5 3种探头攻角与所受升力关系

4 实验结果分析

由数值模拟分析可知，流线型的设计有利于减小所受阻力，获得较大的稳定极限速度，有尾翼设计能够稳定探头在下落过程中的姿态。实验中以流线型有尾翼探头为模型进行实验。

将发射器固定在离海平面一定高度，拉开销轴释放探头，探头到达预订深度后光纤自动拉断，收集并处理探头传回来的数据得到时间与深度曲线。

图6 实验深度曲线

如图6所示曲线，从图中可以看出探头在4.5 s时开始做自由落体运动，在5 s左右坠海，此时曲线成一个尖峰状态，说明探头在坠入海中时具有不稳定性，之后探头以一定速度匀速下落。

图7 实验速度曲线

对图6曲线进行求导，拟合得到如图7曲线，从图中可以看出探头入水后极限速度为4.5 m/s左右，与理论数值分析相对误差为2.2%，说明探头结构设计合理。

5 结论

（1）XBT探头主体采用流线型设计，探头在下落过程中周围流场分布均匀，有利于探头获得稳定的下落速度和下落姿态。

（2）在探头下落过程中，外形对其阻力系数影响较大，圆柱形探头阻力系数远大于水滴形探头，且几乎无变化。当Re达到2.8×105后，有尾翼探头和无尾翼探头阻力系数变化趋于缓慢，这两种探头在下沉初始时差别较大，之后的下沉过程差别稍小。

（3）在相同重量时，3种外形探头下沉最终速度差别较大，有尾翼探头会减小其下沉极限速度，但对探头在水中保持稳定的垂直下落姿态起重要作用。

实验利用有尾翼探头模型对仿真结果进行了验证，说明设计的合理性。3种探头的仿真结果对比表明，水滴形有尾翼探头符合设计要求，但是仍然存在流体分离现象，对后续XBT探头的形态结构设计和优化、材料的选择具有重要的理论指导意义。由于探头入水过程存在采集数据的不稳定性，后期工作将对这一过程进行深入研究。

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[4]刘孟德,陈维山,刘杰.基于CFD的投弃式温深计探头流场分析[J].山东科学,2012,05:22-24+29.

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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

徐金随（1988-），男，硕士，助理工程师，主要研究方向为流体动力学与结构设计。E-mail：xjs127@126.com

程浩（1981-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为流体动力学与结构设计。E-mail：chenghao_ren@163.com