抛弃式探头下沉过程的水动力学特性及实验研究

The sinking depth of expendable probes all calculated by mathematical method, and the accuracy of the measurement are not only related to probes’ mass, material, shape, but to the material and status of fluid. How to acquire the motion parameters and the changes of hydrodynamic characteristics on probe sinking are the important scientific issues in depth measurement research of expendable probe now. In this project,take the NMOHEMS probe for example, a 3D simulation method to different mass NMOHEMS probes at different angles of attack sinking process released from water surface and with disturbed flow is presented, to study the change of motion parameters and fluency, which is based on the transition model, 3D hybrid dynamic grids and dynamic mesh technique, and the factors affect drag coefficient are analyzed. The experiment method in large ocean deepwater experiment environment is designed, the sinking process of probes at different angles of attack are measured precisely by controlling simulative ocean current, and the falling curves and limit velocities of probes are acquired, and the veracity of 3D simulation method will be regulated by many experiments. The universal computational fluid dynamics (CFD) simulation method of different mass probes sinking at different lateral flow and angles of attack are established, the shape and loads of probe are designed optimization by hydrodynamic characteristics, So as to improve the calculated precision of sinking depth.

抛弃式探头的下沉深度测量均采用数学方法计算得到，其测量结果的准确度不仅与探头的质量、材质和外形有关，还受到流体介质和运动状态的直接影响。如何准确获得探头下沉过程中的运动参数和流体的水动力学特性变化，是目前抛弃式探头测深研究的重要科学问题。本申请项目以NMOHEMS探头为例，基于转捩模式，利用三维动态混合网格结合动网格技术，重点研究在不同横流条件下，不同质量探头以不同攻角从水面自由释放后下沉过程中流体的水动力学特性变化，并对探头阻力系数的主要影响因素进行定量分析；在海洋环境实验中，精确控制水流速度，调整探头质量，对不同攻角的探头下沉过程进行精密测量，精确调整三维数值仿真方案，建立不同质量探头在不同攻角和横流时下沉运动的通用建模方法，并对探头外形和载荷进行水动力学优化设计，以期达到提高探头下沉深度计算精度的目的。

针对远海突发性、灾害性海洋动力过程和远海军事行动的实时监测需求，项目组提出了新型远海机动水文环境监测系统（简称NMOHEMS）这种新的探测方法，利用无人机技术、流星余迹通信技术和海洋水文现场探测技术，能够实现远海潜伏、多点同步探测、隐蔽传输等功能。其中的无人机载小型抛弃式探头是完成探测任务的关键，针对系统对其约束和要求，提出了基于MDO的抛弃式探头优化设计方法，分析了不同外形结构探头的水动力学特性，特别设计了四种尾翼进行，以确定导流腔、收缩段和带圆环分离式尾翼为最佳设计方案；利用三维打印技术制作了探头模型，研制实验装置在玻璃水箱中开展了不同质量探头的多攻角模型实验，利用双摄像机实验方法得到探头的三维下沉运动过程；提出了基于连续帧间差分法的探头实验结果处理方法，得到了探头的三维运动轨迹和速度等数据；依据实验结果，详细分析了不同湍流模型、网格划分方法和求解控制参数的影响，建立了探头的阻力系数数值计算方法，并计算得到不同质量探头极限速度对应的阻力系数变化情况；基于转捩模式，利用三维动态混合网格和动网格技术，建立了探头运动的三维仿真方法，得到探头下落过程中不同时刻的运动参数，通过选取不同雷诺数进行转捩，并将计算结果与实验结果对比，初步判断常温淡水环境下转捩的临界雷诺数约为300；仿真计算结果中的深度、速度和加速度变化均与实验结果吻合较好，证明了该三维仿真方法是合理可行的。本研究对各类抛弃式探头的水动力学特性研究具有重要的理论意义和应用价值，为研发具有我国自主知识产权的小型无人机载抛弃式探头奠定了理论和实验基础，提供了技术支撑。