一种投弃式探头水下运动姿态的CFD仿真方法

本发明涉及仿真模拟领域，具体涉及一种投弃式探头水下运动姿态的cfd仿真方法。

背景技术：

1、投弃式海流剖面仪（expendable current profiler，xcp）是一种便携式、可用于快速获取海洋环境剖面参数并进行测量海流的测量仪。投弃式海流剖面仪为海洋调查、海洋环境预报、科学研究及军事应用提供了先进高效的测量手段。其中，投弃式探头为投弃式海流剖面仪的重要结构之一，投弃式探头水下运动姿态数据对探头结构设计优化、探头深海投放的稳定性以及水下剖面数据的精确性和可靠性具有重要影响。

2、其中，不同的水下深度对探头结构及探头运动稳定性要求不同，尤其深海下的条件更为严苛，获取深海下投弃式探头水下运动姿态数据具有重要意义；在确定xcp探头在水下运动不同时刻的深度位置时，虽然通常采用压力传感器来测量其位置，但深海的极端压力条件和其他复杂的环境因素可能会增加测量误差，从而影响对探头深度位置的精确确定，这种不准确性进而会导致对剖面海流测量的偏差。若预设探头的下落平均速度并通过理论计算来获得深度位置，就会忽略了水流对探头的影响和探头姿态的变化，这些因素都是影响深度测量精度和数据可靠性的重要考虑。因此，准确获得探头在不同时刻探头水下深度位置的确定，对于提高水下海流剖面数据测量的精确性和可靠性至关重要。

3、投弃式探头的实际运动过程是一个极其复杂的过程，通过实际海上投放试验难以获取所需的数据，且经济成本和时间成本均较高，因此，有必要采用仿真模拟方法对投弃式探头的水下运动姿态全过程进行模拟，以获取投弃式探头在整个下落过程中的相关数据。但传统的仿真模拟方法通常仅能模拟投弃式探头从海平面至几十或几百米深度的运动姿态，难以模拟从海平面至几千米深海的全过程的运动姿态，故我们提出一种投弃式探头水下运动姿态的cfd仿真方法，以获取投弃式探头从水平面至海底的全过程的相关数据。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种投弃式探头水下运动姿态的cfd仿真方法，将投弃式探头从海平面至海底的运动过程进行分阶段仿真模拟计算，将所有阶段的仿真模拟计算结果进行衔接获取投弃式探头在水下的全过程运动姿态，并获得水下深度与时间的关系。

2、本发明具体采用如下技术方案：

3、一种投弃式探头水下运动姿态的cfd仿真方法，将投弃式探头从海平面至海底的运动过程进行分阶段仿真模拟计算，将所有阶段的仿真模拟计算结果进行衔接获取投弃式探头在水下的全过程运动姿态，包括步骤：

4、s1、使用solidworks三维建模软件构建投弃式探头的三维几何模型；

5、s2、将s1所构建的投弃式探头三维几何模型导入space claim三维建模软件中，以投弃式探头为中心建立圆柱型流体区域，获得三维重叠几何模型，并对各部件进行命名；

6、s3、使用ansys meshing网格划分软件对三维重叠几何模型进行网格划分并检查网格质量，得到网格文件；

7、s4、将s3中生成的网格文件导入fluent求解器中进行初始化配置，并在fluent求解器设置用户自定义函数udf；

8、s5、在fluent求解器中设置计算时间步长和迭代步数，并设置分阶段仿真深度以及总设定深度，然后进行第一阶段计算，待第一阶段计算结束且收敛后，导出并保存该阶段的投弃式探头运动参数；

9、s6、重复以上步骤s4、s5的操作进行各阶段仿真模拟计算，并将上一阶段的投弃式探头运动参数填入步骤s4的fluent求解器中作为下一阶段的初始值，直至达到总设定深度，即完成投弃式探头整个水下运动过程；

10、s7、将投弃式探头整个水下运动过程中的数据导入cfd-post软件中进行后处理，查看任意时刻任意位置时投弃式探头运动的速度云图和压力云图，并获取时间-水下深度的关系。

11、本发明所述仿真计算方法中涉及到投弃式探头水下运动姿态的计算过程，描述投弃式探头在流体中的运动状态时，遵守三大守恒定律，即质量守恒、动量守恒和能量守恒。根据三大守恒定律建立控制方程来对流体中任意一处的物理状态进行描述。本发明提供的仿真计算过程中涉及到的控制方程如下所述：

12、本发明所设计的投弃式探头运动过程遵循着动量方程如下：

13、（1）

14、（2）

15、其中，为投弃式探头质量，为投弃式探头下落距离， 为投弃式探头下落速度，为投弃式探头所受浮力，d为投弃式探头所受阻力，为附加质量（投弃式探头做变速运动时是一个常数）；初始条件为投弃式探头完全浸在水平面内，初始位置为 ，初始速度为。

16、为投弃式探头受海水浮力大小：

17、（3）

18、其中，为海水密度；为投弃式探头体积，为重力加速度9.8。

19、整个投弃式探头为流线型设计，为投弃式探头所受阻力大小：

20、（4）

21、其中，为总阻力系数； 为投弃式探头浸湿面积；为投弃式探头下落速度。

22、采用黏性、不可压缩非稳态流场的基本控制方程navier-stokes 方程：

23、不可压缩流体的连续性方程：

24、（5）

25、其中，表示速度场的散度。

26、不可压缩流体的动量守恒方程：

27、（6）

28、其中，为流体的密度，为时间，、、为流体分别在、方向上的速度分量，、是空间坐标在i、j、k方向上的坐标分量，是流体的压力，是动力粘度，为克罗内克函数，用于指标求和。这个方程描述了不可压缩流体中动量守恒的各个方面，包括密度、速度、时间、空间坐标、压力和黏性应力的影响。

29、进一步地，所述步骤s2具体为：以投弃式探头为中心向四周建立圆柱型流体区域，使用布尔操作进行切除圆柱型流体区域与投弃式探头的重合部分，获得三维重叠几何模型；同时对各部件进行命名，将投弃式探头命名为“tantou” （探头），圆柱型流体区域命名为“fluid” （流体）流体区域z轴正方向面命名为“outlet”（出口），流体区域的其余面设定为“wall” (壁面)。

30、进一步地，所述步骤s3中，进行网格划分时需分别对海流剖面仪探及圆柱型流体区域进行网格划分，并对投弃式探头网格进行加密处理。

31、进一步地，所述步骤s4中，fluent求解器初始化配置包括：

32、选取双精度求解器，设置fluent求解器类型为基于压力基的三维求解模型；

33、设置时间模型为瞬态模型；

34、设置速度格式为绝对速度；

35、设置湍流模型为rng模型；

36、材料添加设置：添加fluent数据库材料为液态水，属性密度改为海水密度大小1.0230g/cm3；

37、单元区域材料添加设置：设置圆柱型流体区域的材料为液态水；

38、设置流场的重力方向为z轴反方向，重力大小为-9.81/m2；

39、设置动网格，包括设置区域名称为探头，类型为刚体；选择开启六自由度，并设置动网格的初始边界条件，即设置第一阶段运动参数重心位置、重心速度、刚体方向、刚体角速度为0，然后在之后每一阶段对fluent求解器初始化配置时，将上一阶段仿真后得到的运动参数填入该步求解器中进行该阶段的仿真运算。

40、上述湍流模型采用rng模型，具体包括：

41、湍流动能方程为：

42、<mfrac><mrow><mi>∂</mi><mi>(ρk)</mi></mrow><mrow><mi>∂</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>∂</mi><mi>(ρ</mi><mover><msub><mi>u</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>k)</mi></mrow><mrow><mi>∂</mi><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mfrac><mi>=</mi><mfrac><mi>∂</mi><mrow><mi>∂</mi><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mfrac><mi>[</mi><msub><mi>α</mi><mi>k</mi></msub><mi>(</mi><mi>η</mi><mo>+</mo><mfrac><msub><mi>μ</mi><mi>t</mi></msub><mrow><mi>p</mi><msub><mi>r</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mi>)</mi><mfrac><mrow><mi>∂</mi><mi>k</mi></mrow><mrow><mi>∂</mi><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mfrac><mi>]+</mi><msub><mi>p</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mi>b</mi></msub><mi>-ρε-</mi><msub><mi>y</mi><mi>m</mi></msub>（7）

43、其中，为湍流动能；是流体密度；是分子粘度；是湍流粘度；是流体速度梯度产生的湍流动能；是方向上速度分量的雷诺平均值，为湍流动能传递率，；为浮力产生的湍流动能项；为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献，为湍流耗散率，为时间；为湍流普朗特数，。

44、湍流耗散率方程为：

45、<mfrac><mrow><mi>∂</mi><mi>(ρε)</mi></mrow><mrow><mi>∂</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>∂</mi><mi>(ρ</mi><mover><msub><mi>u</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>ε)</mi></mrow><mrow><mi>∂</mi><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mfrac><mi>=</mi><mfrac><mi>∂</mi><mrow><mi>∂</mi><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mfrac><mi>[</mi><msub><mi>α</mi><mi>ε</mi></msub><mi>(μ+</mi><mfrac><msub><mi>μ</mi><mi>t</mi></msub><mrow><mi>p</mi><msub><mi>r</mi><mi>ε</mi></msub></mrow></mfrac><mi>)</mi><mfrac><mrow><mi>∂</mi><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>∂</mi><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mfrac><mi>]+</mi><msub><mi>c</mi><mi>ε1</mi></msub><mfrac><mi>ε</mi><mi>k</mi></mfrac><mi>(</mi><msub><mi>p</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mi>ε3</mi></msub><msub><mi>g</mi><mi>b</mi></msub><mi>)-</mi><msub><mi>c</mi><mi>ε2</mi></msub><mi>ρ</mi><mfrac><msup><mi>ε</mi><mn>2</mn></msup><mi>k</mi></mfrac>（8）

46、其中，是湍流粘度， ，、、是方程常数，，，，是常数，；为湍流耗散率的扩散系数，；为湍流耗散率的普朗特数，。

47、进一步地，所述步骤s4中，用户自定义函数udf用于设置探头仿真中的自由度参数，包括探头的质量和转动惯量参数，通过这个udf，在fluent仿真中对探头指定具体的质量和转动惯量。

48、进一步地，用户自定义函数udf的程序文件具体如下：

49、#include "udf.h"

50、define_sdof_properties(test,prop,dt,time,dtime)

51、{

52、prop[sdof_mass] = 1.577;      //探头质量

53、prop[sdof_ixx] = 0.02;         //x方向转动惯量

54、prop[sdof_iyy] = 0.02;         //y方向转动惯量

55、prop[sdof_izz] = 0.001;         //z方向转动惯量

56、printf("\n2dtest: updated 6dof properties");

57、}。

58、进一步地，所述步骤5中，时间步长为0.005~0.01s，迭代步数为300~600。

59、本发明具有如下有益效果：

60、（1）本发明基于流体力学和运动学分析，通过数值模拟方式能够获得投弃式探头从海平面至海底整个下沉过程的运动状态数据，以分阶段方式将其整个较深长度研究范围进行模拟仿真，步骤简便且计算效率高，打破理论分析研究投弃式探头运动状态的复杂运动特性的局限性和通过海试试验进行获取运动状态的复杂性，通过设置不同环境参数介质参数能够模拟复杂或变化迅速的海洋环境；同时本发明的仿真方法稳定可靠，计算精确，应用广泛，也可应用于相类似的投弃式剖面探头，能够获得更为详细准确的运动参数信息；

61、（2）本发明通过所获取的投弃式探头从海平面至海底整个下沉过程的运动状态数据，进而观察得到投弃式探头机械结构对整个运动状态的影响，能够对投弃式探头的结构进行优化调整，保证探头投放稳定性；另外，投弃式探头在实测过程中搭载着测量海洋参数各式的传感器，而投弃式探头下沉时间与所到达深度关系的确定将直接影响最终获得的海水剖面资料的准确性；本发明不仅获得投放后的整个运动状态，通过模拟仿真还可获得投弃式探头下落距离与时间的关系，即水下深度与时间的关系，从而能够与实测的水下剖面数据结合，准确分析不同水下深度下的水下剖面数据。