NMOHEMS剖面探头阻力系数数值计算与实验.docx

1、NMOHEMS剖面探头阻力系数数值计算与实验陈振涛，叶松，王晓蒲，翁兴国，钟中，刘志华（解放军理工大学气象学院，江苏南京211101）摘要：NMOHEMS割面探头主要用于快速获取海洋水文制面资料，剖面探头投放后，运动时间和下落距高关系的确定将直接影响到制面测量结果的准确性。在玻璃水箱和水库2种环境下，分别设计实验方法。在玻璃水箱实验中，利用高速摄像记录不同质量剖面探头的下落过程，编写图像处理程序、完成数据处理和误差分析；水库实验在船上进行，自主研制水面实验装置，对影响因素进行修正，以提高实验结果的真实可蒙性。剖面探头稳定下落时的雷诺数在1010'范国内，针对这一特点采用数值计算方法进行

2、三维粘性流场数值模拟。结果表明，阻力系数随着雷诺数的增加而戒小，数值计算结果与实验结果吻合较好，验证了该数值计算方法的正确性，可为NMOHEMS系列化探头的设计提供参考。关键词：NMOHEMS；制而探头；阻力系数；数值计算中图分类号:P716.1文献标识码：A文章编号:1009-3443（2012）03-0349-06NumericalstudyondragcoefficientandexperimentmethodsofNMOHEMSprofileprobeCHENZhen-tao,YESong,WANGXiao-lei,WENGXing-guo,ZHONGZhong,LIUZhi-hua(

3、InstituteofMeteorology,PLAUniv,ofSci.&Tech.,Nanjing211101«China)Abstract:NMOHEMSprofileprobeismainlyusedinmeasurementoftheseawatertemperatureetc.,andtheprofiledataaresensitivetotherelationbetweenthefallingdistanceandtime.Theexperimentalmethodsinboththelabpoolandthelakeweredesigned.Inthelabp

4、ool,thesinkingprocessesofdifferentweightprobeswereshotbyhighspeedcamera,andthedataprocessinganderroranalysiswerecompletedbytheimagemanipulationprogrambasedonOpencv.Inthelake,theexperimentwasdevelopedontheboard,andtheexperimentaldevicewasindependentlydeveloped.Themaininfluencefactorswerefixedtomakesu

5、rethatalltheexperimentalresultswerereliable.Reynoldsnumberisinscaleof104105whentheprobesinkssteadilyafteracceleratinginwater.The3Dviscousflowconditionwerenumericallysimulated*andtheresultsshowthatthedragcoefficientdecreaseswhileReynoldsnumberincreases*whichapproximatelyaccordantagreewiththeexperimen

6、talresults.Comparedwiththeexperimentalresults*thenumericalcalculationmethodwasverified.TheseresearchprovidesreferenceforthedesignofseriesofNMOHEMSprobes.Keywords：NMOHEMS；profileprobe；dragcoefficient；numericalcalculation新型远海机动水文环境监测系统（简称NM0-收稿日期：2011-04-28.基金项目：国家自然科学基金资助项目（40976062；江苏省自然科学基金宽助项目（BK2

7、009062）；解放军理T大学/象学院基础理论研究基金资助项目.作者简介：陈振沔（1983），男，博士生.联系人：叶松，副教授；研究方向：海洋水文仪器及计量技术|E-mail:yesong999Hotmail,com.HEMSCU2,以下同）是将无人机技术、流星余迹通信技术和海洋水文现场探测技术妇有效结合，适用于突发性、灾害性强海洋动力过程的新方法和新体制。它主要由无人机及其控制发射机动单元、舰船和岸基用户单元、流余主站和现场探测单元4大部分组成。现场探测单元内部装载的下沉剖面探头可安装不同传感器，测量多种水文数据。在抛弃式海洋仪器研制领域中，以美国Sippi-can公司最具代表性。其船载抛弃

8、式海洋仪器，如船用投弃式深温计（SXBT）和投弃式温盐深自记仪（XCTD）等，在国内已有应用；对于机载投弃式海洋仪器（如AXBT）的相关资料公开较少，仅有简略的产品介绍。其基本工作原理任】为：载人飞机到达目标区域后投放AXBT,待其入水稳定后立即释放位于其下端的测温探头，测量数据通过VHF方式发送到飞机的接收器。基于AXBT的运行体制，国内研究人员曾对这类探头进行过实验研究任妇。本文讨论的NMOHEMS剖面探头（简称剖面探头，以下同）与上述AXBT类型探头在使用方式上具有明显区别。其基本工作原理为：现场探测单元由无人机携带，抵达目标区域后，现场探测单元脱离无人机，落入海水后漂浮于海面，进入潜伏

9、状态，主浮体通过流星余迹通信技术与流余主站保持联系，剖面探头暂不释放；收到流余主站发来的探测指令后，所有现场探测单元在探测指令规定的时刻同时释放剖面探头；探头下沉过程中，采集不同深度的海水温度信息'经过信号放大、A/D转换后传送给主浮体，并发回流余主站，能够实现多点和多区域海水剖面温度的同步探测。由使用方式的不同，决定了剖面探头要比AX-BT类型探头设计得外形更小、重最更轻，下落速度更慢，在相同采样频率下可以获得更高的温度剖面分辨率。其外形及结构如图1所示，内部主要包括密封仓、传感器仓和开放仓3部分。密封仓中装载测量电路板、环形电池和配重物；传感器仓内放置传感器模块，可以安装不同类型的

10、传感器；开放仓主要包括辅传输线圈（缠绕有信号传输线，主传输线圈在海面的主浮体内）。密封仓需耐压并密封防水，以保护测量电路板和环形电池；传感器仓内部与导流腔相通，外部与密封仓相连；开放仓内外相通。图1剖面探头的外形和结构Fig.1Shapeandstructureofprofileprobe针对NMOHEMS剖面探头，本文分析其下沉运动模型，利用计算流体动力学（简称CFD）方法进行数值计算，得到雷诺数在1010'范围内，阻力系数与雷诺数的关系，并设计了物理实验，以验证数值计算结果，为创建NMOHEMS系列化探头的数值计算和实验方法奠定基础1剖面探头运动的数值模型1.1控制方程采用不可压缩

11、流体的连续性方程:RANS方程:式中：为流体速度，珀=ut+ui，:=1,2,3,j=1,2,3成和小为雷诺平均速度；和匕为脉动速度”为流体的密度伊为流体的粘性系数;P为单位体积流体的压力；兀为单位体积流体所受的外部体力；一pE7脉动速度相关项称为雷诺应力。1.2湍流模型剖面探头工作环境为粘性、不可压缩非稳态流场，应用湍流k_e模型口进行流场计算，其湍动能&及耗散率£运输方程为：垮=法©+萍茶1+G+GLQ-%P斜*心+¥斜+Q式中：旧为湍流粘性系数出=（C=0.09；C=max0.43,«,?=Sk=;S为源项;表示由于平均速度梯度引起的湍动能

12、产生;G是用于浮力影响引起的湍动能产生;匕是可压速湍流脉动膨胀对总耗散率的影响“为时间a为运动学粘性系数;G,=1.44,0=1.92,%=l；,、q分别是湍动能及其耗散率的湍流普朗特数,/=1.00,=边界条件与求解方法采用有限体积法离散控制方程和湍流模型，对压力方程采用Standard离散格式进行离散，对动量方程、湍流方程和雷诺应力方程均采用二阶迎风格式进行离散，压力速度耦合迭代采用SIMPLEC算法。计算域的边界由进流边界、出流边界、壁面边界和控制域边界组成，计算区域模型与实验水箱尺寸相同，如图2所示定义L为探头长度,R为探头最大半径以为重力加速度的反方向。X12?图2剖

13、面探头模型计算区域示意图Fig.2Sketchofcomputationaldomainofprofileprobemodel各边界条件如下：采用速度进口边界条件，入流断面为均匀来流；对于出流边界条件,认为湍流已经达到平衡，故采用压力出流边界条件，以加快收敛速度；模型表面和计算域外边界设为无滑移壁面；模型近壁采用标准壁面函数进行处理。采用混合网格技术划分计算域，在探头表面划分边界层，边界层网格为三棱柱形的半结构网格；探头附近区域划分四面体形的非结构网格；远离探头区域采用六面体形的结构网格。将导流腔和尾翼处网格加密，模型总网格数为130万。计算域的对称面网格分布如图3所示。图3计算域对称面网格分

14、布图Fig.3Histogramofsymmetrymeshofcomputationaldomain1.4阻力系数的计算剖面探头下沉过程中的受力包括重力、浮力和阻力。不考虑线圈释放的影响，重力为Mg,浮力E与排水体积有关，表示为：Ff=pVg。式中：佝为运动介质密度,V为剖面探头体积,g为重力加速度。剖面探头下沉运动所受阻力。与运动速度p相关，表达式口幻为：式中：Cd为总阻力系数，S'为剖面探头浸湿表面积。数值计算的关键是确定阻力系数C”及其随雷诺数R的变化情况。雷诺数表示为：Re=也盘八式中，为剖面探头最大横截面直径。当剖面探头所受重力和阻力、浮力达到平衡，即D=Mg-F时,运动将

15、达到匀速状态，之后剖面探头即以该极限速度匀速下降，直至探测结束，极限速度*表示为：="MgF»CdpS。数值计算时，将来流速度设为某一极限速度值VT,通过模拟运算得到对应的阻力。，代入式（1）可求解此时的阻力系数Cd°2实验由以上分析可知，剖面探头的下沉规律为先加速直至匀速运动，实验必须完整地记录整个加速过程。文献68中采用不同高度释放结合多阶段轨迹衔接的方法，探头质髭较大且不可调，入水冲击对实验结果造成的误差也较大。本文利用有限实验水深，在不影响剖面探头外形的前提下，精确调整其质员，获得不同质量下落的极限速度。采用从水面自由释放方式，避免了剖面探头的入水冲击，与

16、实际使用方式一致，且减小了实验误差，多个质量探头的实验数据也提高了对比分析的科学性。将实验分为实验室水箱和水库两种实验环境，实验室水箱中利用高速摄像和图像处理技术，对较小质量探头的下沉运动进行精密测量，以验证数值计算方法在较低雷诺数下的正确性和可行性；水库中利用自主研制的实验装置，对较大质量探头的下沉运动进行测量，以验证数值计算方法在较高雷诺数下的正确性和可行性。2.1水箱实验2.1.1实脸方法制作了剖面探头模型，并在实验室玻璃水箱中进行模拟实验，水箱水深为1.8m,利用240f/s高速摄像机拍摄记录探头下沉的全过程，具体实验流程如图4所示。不改变探头模型的排水体积，通过增减配重物精确调整其质

17、量，首先获得探头模型在水中悬浮的质量M。；为提高实验稳定性，设定第一个下沉质量M=M°+2X0.56g,释放探头并拍摄视频；然后依次增加0.56g质量，重复拍摄，并确保其在有效实验深度内能够达到匀速。记录相机的位置和高度信息，以消除因相机成像原理造成的角度误差。图4实验步骤流程图Fig.4Flowchartofexperimentsteps数据处理时，首先裁剪视频有效部分，将其转换为图片集；然后利用数字图像处理技术确定每张图片中探头几何中心的实际位置，最后得出探头运动的深度-时间关系、速度-时间关系以及极限速度Vc，并计算得到相应的阻力系数Cd”2.1.2数据处理方法实验拍摄的视频包

18、含几千帧图片，且存在边缘模糊等问题，人工处理这些图片不仅工作量太大，而且存在较大的人为随机误差。本文基于Opencv环境编写了数字图像处理程序，主要包括背景图片处理和图片集处理。主要工作流程：首先通过Canny和Houghman算法得到背景图片，以确定图片中每个像素所代表的实际长度；然后对所有图片分别进行膨胀与腐蚀运算，确定图片中探头的位置；通过Canny算法对探头图像边缘毛刺进行处理，得到比较平滑的探头边缘；提取探头所有边缘像素点的坐标，计算探头几何中心;将所有几何中心坐标汇总到背景图片上，计算出相邻几何中心间的像素数；利用背景图片中像素宽度与实际长度的对应关系，计算出每1/240s探头运动

19、的距离，将结果自动保存到文件中。2.2水库实验实验地点选择南京地区黄龙雄水库，在船上进行，实验装置主要包括托盘浮体、光电开关、控制计时器、释放线和探头模型一枚。托盘浮体上带有不锈钢支架和滑轮，利于线圈的释放并减小阻力；底面装载有电磁铁，用于吸附探头模型。实验开始前，首先通过预设释放线的长度，确定相应的下沉深度，将探头吸附在水面的电磁铁上；按下控制计时开关后，电磁铁断电，探头开始释放；当探头下沉到指定深度时，释放线触发光电开关，此时计时器停止计时，记录一组下沉深度和时间数据，回收探头；更改下沉深度，继续进行测量；每个深度重复测量十次，以剔除粗大误差，并消除随机误差。控制计时器采用STC89C52

20、RC型单片机开发板进行设计,并编写控制计时程序，主要包括：初始化程序、定时器中断程序、测键号及判键号程序等,计时精度为1ms.3实验结果及分析3.1水箱实验结果及分析由理论分析可知，剖面探头释放后首先加速运动，到阻力。=峋一Ff时，将达到极限速度，之后以此极限速度Vt匀速下落。图5为6种不同质量剖面探头下沉的深度h与下落速度V的关系。图56种不同质量探头的下落深度与速度曲线Ing.5Sinkdepthandvelocitycurvesofsixweightprobes通过数据处理分析，6种不同质量的探头均已达到匀速状态。利用CFD方法，将来流速度设为极限速度值,数值计算得到阻力值为n；利用水箱

21、实验数据，计算阻力值和分别代入式（1）可求解对应的阻力系数C&和图6给出了极限速度对应的雷诺数与阻力系数的关系，雷诺数在10左右。可以看出两者基本相符，阻力系数随着雷诺数的增加而减小，大部分模拟结果小于实验结果，且随着雷诺数的增加，差别越大。原因可能是数值计算时建立的计算模型较为光滑，造成了模拟的阻力偏小；同时没有考虑下沉时水箱中存在的波动等因素对阻力系数的影响。因为托盘较轻，近似认为其漂移速度与风速相同。更改坐标系，将坐标原点定为电磁铁底面圆点，此时探头运动包括垂直方向的自由下沉过程和水平方向的匀速运动（大小与风速v相同，方向相反），可以得到探头的实际下落深度/=J甘二（乃以此对测量

22、值入进行修正图6雷诺数与阻力系救的关系Fig.6RelationgraphofIgReanddragcoefficient097水库实验测量结果Fig.7Measurementresultinlake表1为6种不同质量剖面探头水箱实验结果与数值计算结果对比，可以看出，两者基本吻合，最大误差控制在2%以内，验证了雷诺数在10,左右时，数值计算模型的正确性和可行性。襄1水箱测量结果与模拟结果对比Tab.1Comparisonofmeasurementandsimulationresults3.2水库实验结果及分析探头质量/g极限速度/（mS-】）G模拟结果Cd实验结果相对误差/%305.440.1

23、6170.02170.0216-0.4608306.000.18280.02120.02130.4717306.560.19690.02100.02120.9524307.120.22270.02060.02091.4563307.680.23910.02050.02070.9756308.240.25810.02020.02061.9802实验区域水深大于10m,实验时风速廿=0.5m/s,水温5.9"C,探头重550go共测量了16m间的6个深度，每个深度测量10次，采用e检验准则判别粗大误差，算术平均值作为最后测量结果，以消除随机误差。测量结果和计算结果如图7所示，两者比较接近

24、,lgRe在IO'以内；但下沉同样时间，测量的深度均大于计算深度，且深度越大，两者差值也越大。经分析，主要是因为水面风速的存在，使得船和托盘均在漂动，导致入水后的线圈不垂直，且偏离角度越来越大.表2为水库实验结果与数值计算结果对比。可以看出，测量修正值与计算值更加接近，但下落同样时间，测量深度的修正值稍小于计算深度，且随着时间的增加，两者差别变化不大。分析其可能原因，主要包括两点:一是释放过程中实验装置对释放线的摩擦作用;二是水库水中的杂质较多，密度比理想的水密度要大,这些因素都增加了剖面探头的摩擦阻力.表2水库测结果与模拟结果对比Tab.2Comparisonofmeasuremen

25、tandsimulationresults冲转日模换实验Aft实软与模拟修正与模拟结果结果修正值相对误差/%相对误差/%81力系敏0.01760.01630.0170-7.39-3.41极限速度/（»$-1)2.4872.5232.4731.44-0.564结论设计并进行了实验室和水库2个环境下的实验，基于CFD方法对NMOHEMS剖面探头流场进行了数值模拟，得出主要结论如下：（1）实验室水箱中剖面探头的质量调整精确度较高，质量增量为0.56g;采用高速摄像记录下落过程.综合利用多种图像处理算法完成数据处理，测量结果准确性较高；水库实验受环境影响因素较多，尤其是水面风的影响，需要对测

26、量结果进行修正，且对实验装置的稳定性要求更高。2种环境中的实验方法对类似实验都具有一定的参考价值。(2) 数值模拟得到阻力系数随雷诺数的增加而减小的变化关系，用实验室水箱和水库实验结果进行验证，吻合较好，证明了该数值计算方法的正确性和可行性。另外，与文献68中的实验方法相比，本文的实验方法因避免了探头的入水冲击，减小了实验误差，并与探头的实际使用方式更加一致，建立在此实验数据基础上的对比分析更具有科学性。<3)因为NMOHEMS剖面探头的下落速度较慢,所以重点对低雷诺数下的阻力系数进行了计算，对雷诺数在10IO'范围内相应阻力系数的确定具有一定的代表性，该数值计算方法可为NMOH

27、EMS系列化探头，以及其他较小下沉速度探头阻力系数的数值计算提供借鉴。通过对不同雷诺数下阻力系数的对比分析，为剖面探头的优化设计提供了技术支持。参考文献：1 叶松.王晓雷，焦冰，等.NMOHEMS的概念与设计J.海洋技术,2010,29(1):28-31.YESong,WANGXiao-lei»JIAOBing*etal.ConceptanddesignofNMOHEMSJ.Oceantechnology,2010,29(1):28-31.(inChinese).2 叶松.王晓蕾，周延年，等.远海机动水文环境监测系统技术研究与设计口.仪器仪表学报，2008,29(8):256-260

28、.YESong,WANGXiao-lei,ZHOUYan-nian,ctal.StudyanddesignonmobileoffshorehydrologicenvironmentmonitoringsystemJ.ChineseJournalofScientificInstrument.2008,29(8)：256-260.(inChinese).3 周延年，叶松，郑君杰，等.利用流星余迹通信系统传输海洋数据J.仪器仪表学报，2008,29(8)：486-489.ZHOUYan-nian,YESong,ZHENGJun-jie,etal.Discussionontransmittingoce

29、anographicdatabymeteorburstcommunicationsystemJ.ChineseJournalofScientificInstrument,200829(8)：486-489.(inChinese).4 焦冰，叶松，王晓蕾，等.军事海洋环境海水温度信息的获取研究C.第七届军事海洋战略与发展论坛论文集.北京：海潮出版杜,2010.5 LockheedMartinSippicanInc.XBTuse/sguideM.Massachusetts：LockheedMartinSippicanInc,1990.6 韩光，陶建华.新型航空海水温度、盐度、深度探头运动特性的计算

30、方法和实验研究J.海洋技术，2001,16(4)：467-471.HANGuang»TAOJian-hua.Asimplifiedmethodofstudyingthekinematicpropertiesofanew-typeprobeformeasuringseawatertemperature,saltnessanddepthanditsexperimentalverificationLJ.OceanTechnology*2001*16(4)：467-471.(inChinese).7 黄银水，陶建华.线圈释放式温、盐、深测温剖面探头运动特征的数值计算方法研究J.海洋技术，20

31、03,22(1)：45-48.HUANGYin-shui,TAOJian-hua.Computationmethodofthekineticpropertyofsalinity*temperatureanddepthprobewithreleasingwindingJ.OceanTechnology.2003,22(1)：45-48.(inChinese).8 肖沔，刘长根，陶建华.抛弃式温盐探头阻力系数的数值模拟及其实验验证口.海洋技术，2006,25(3)：35-37.XIAOHong»LIUChang-gen.TAOJian-hua.NumericalsimulationofdragcoefficientforC