【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于仿真模拟海洋流速测量领域，具体涉及一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法。
技术介绍
1、海流是在指海水大规模相对稳定的流动，由于海流在水平方向上比垂直方向流动性强，通常是对水平尺度上的海流大小进行测量。海水在水平运动时切割地磁场磁力线而产生感应电动势和感应电流。通过测得该电动势和电流大小即可得到该海洋剖面层的海流大小。
2、投弃式海流剖面仪探头（expendable current profiler，xcp）是一种基于电磁原理可快速测量海流的测量仪。具有方便投放，成本低，不受深度限制且精度高等特点。是通过探头内部两个平行放置的电极来对海流信号进行采集。探头尾部设计有四个叶片组成旋转尾翼，随着探头在海水中下沉，旋转尾翼以一定的角速度旋转，由此带动探头以同样的角速度旋转，则将采集到的海流信号通过旋转调制为一定频率的交流信号，然后，这些交流信号被探头内部的信号采集电路提取和处理，通过分析这些信号，可以得到关于海流速度和方向的详细信息。然而海流电场信号极其微弱，需要降低海流电场信号中的噪声，提高信噪比。
3、本专利技术提出一种通过对旋转尾翼结构优化而降低噪声的方法，目前，xcp 探头尾翼流动特性基本是通过经验或海上实际投放得到。而通过试验来对探头尾翼进行结构优化，耗时耗力，并且受很多复杂环境的影响，存在许多不确定性。
4、fluent是一种用于模拟和分析流体流动的仿真软件，提供了强大的数值求解器、网格生成工具、后处理功能以及用户友好的界面。对模拟、分析和优化流体动力学有着广
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，包括以下步骤：
4、s1、使用solidworks软件构建装配有旋转尾翼的投弃式海流剖面仪探头几何模型；
5、s2、将投弃式海流剖面仪探头几何模型导入fluent中，建立圆柱形仿真流体域并定义为背景网格区域，对投弃式海流剖面仪探头周围建立重叠网格区域并定义为组件网格区域，从而构成三维几何模型，对三维几何模型中的各部件进行命名；
6、s3、使用ansys meshing将上述三维几何模型进行网格划分并检查网格质量；
7、s4、将s3中的网格文件导入fluent中进行仿真参数的设置，求解器类型的选择和定义材料属性、边界条件，建立基于cfd模型分析尾翼对探头旋转影响过程的计算模型；
8、s5、将编写好的投弃式海流剖面仪探头几何模型的udf编译并加载，动网格方法设置为扩散光顺和网络重构；
9、s6、设置瞬态计算的时间步长和时间步数，进行仿真模拟计算，模拟装配有旋转尾翼的探头在所设圆柱型流体域中的整个运动状态过程；
10、s7、仿真模拟结束后，通过cfd-post软件进行后处理操作，查看x-y平面下投弃式海流剖面仪探头在某时刻的速度云图和压力云图；
11、s8、更换不同旋转尾翼叶片倾角的探头，重复步骤s1-s7，得到不同倾角尾翼对应的探头自旋转角度参数并进行优化。
12、进一步地，所述投弃式海流剖面仪探头模型包括探头本体模型和旋转尾翼模型，所述旋转尾翼模型由四个叶片组成，四个叶片中间设有圆形通孔，圆形通孔用于装配探头尾部。
13、进一步地，步骤s2中，建立圆柱形仿真流体域的过程为：在投弃式海流剖面仪探头的周围建立小型的圆柱型几何体，使用布尔运算中的subtract操作去除投弃式海流剖面仪探头和圆柱型几何体重合部分。
14、进一步地，步骤s3中，使用ansys meshing将上述获得的三维几何模型进行网格划分，圆柱型仿真流体域的网格尺寸设置为0.01mm，组件网格设置尺寸大小为0.005mm，并检查网格质量。
15、进一步地，步骤s4中，将网格文件导入fluent后参数设置包括：
16、求解器类型设置为压力基，速度格式设置为绝对速度，时间模型设置为瞬态模型；
17、定义流场的重力方向为z轴反方向，大小设置为-9.81s/m2；
18、湍流模型设置为rng模型；
19、材料添加设置为：添加fluent数据库材料为液态水，流体材料设置为液态水，密度设置为1.0230g/cm3；属性密度改为海水密度大小1.0230g/cm3；
20、动网格设置选择投弃式海流剖面仪探头为刚体运动；
21、选定背景网格和组件网格创建网格交界面，小型的圆柱形几何体的表面设定为重叠网格面，投弃式海流剖面仪探头表面设定为壁面。
22、进一步地，所述s4中，采用不可压缩雷诺纳维-斯托克斯方程和标准rng湍流模型，运用重叠网格技术，建立基于cfd模型分析尾翼对探头旋转影响过程的计算模型；
23、计算模型包括连续性方程、动量方程和能量方程；
24、所述连续性方程为：
25、；
26、其中，是流体密度，是时间，表示流体的速度矢量；是散度算子，用于表示向量场的发散程度；
27、所述动量方程为：
28、；
29、；
30、；
31、其中，是流体密度；为x轴方向上的流速，是y轴方向上的流速，为z轴方向上的流速；为流体内部压力；x为x轴方向上的单位质量体积力，y为y轴方向上的单位质量体积力，z为z轴方向上的单位质量体积力；是拉普拉斯算子，在这里表示由于粘性引起的动量扩散；单位体积的体积膨胀；是流体的动态粘度。
32、进一步地，所述湍流模型采用rng模型，湍流动能方程为：
33、<mfrac><mrow><mi>∂</mi><mi>(ρk)</mi></mrow><mrow><mi>∂</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mi>+</mi><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><mr本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，所述投弃式海流剖面仪探头模型包括探头本体模型和旋转尾翼模型，所述旋转尾翼模型由四个叶片组成，四个叶片中间设有圆形通孔，圆形通孔用于装配探头尾部。
3.根据权利要求2所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，步骤S2中，建立圆柱形仿真流体域的过程为：在投弃式海流剖面仪探头的周围建立小型的圆柱型几何体，使用布尔运算中的Subtract操作去除投弃式海流剖面仪探头和圆柱型几何体重合部分。
4.根据权利要求3所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，步骤S3中，使用ANSYS Meshing将上述获得的三维几何模型进行网格划分，圆柱型仿真流体域的网格尺寸设置为0.01mm，组件网格设置尺寸大小为0.005mm，并检查网格质量。
5.根据权利要求4所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，步
6.根据权利要求5所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，所述S4中，采用不可压缩雷诺纳维-斯托克斯方程和标准RNG湍流模型，运用重叠网格技术，建立基于CFD模型分析尾翼对探头旋转影响过程的计算模型；
7.根据权利要求6所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，所述湍流模型采用RNG模型，湍流动能方程为：
8.根据权利要求7所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，步骤6，设置时间步长为0.005s，时间步数为500。
9.根据权利要求8所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，步骤S7中，仿真模拟结束后，通过CFD-post软件进行后处理操作，查看 X-Y平面下投弃式海流剖面仪探头在某时刻的速度云图和压力云图，导出投弃式海流剖面仪探头六自由度数据，读取海流剖面仪探头自旋转速度参数。
10.根据权利要求9所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，步骤S8中，重复步骤S1-S7，得到不同倾角尾翼相对应下探头的自旋转角度，对旋转尾翼叶片倾角数据和探头下落的自旋转速度数据进行拟合，得到拟合公式；探头内设置有信号采集电路，根据拟合公式选取最优的旋转尾翼叶片倾角，使探头自旋转频率与信号采集电路带宽频率相对应。
...【技术特征摘要】
1.一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，所述投弃式海流剖面仪探头模型包括探头本体模型和旋转尾翼模型，所述旋转尾翼模型由四个叶片组成，四个叶片中间设有圆形通孔，圆形通孔用于装配探头尾部。
3.根据权利要求2所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，步骤s2中，建立圆柱形仿真流体域的过程为：在投弃式海流剖面仪探头的周围建立小型的圆柱型几何体，使用布尔运算中的subtract操作去除投弃式海流剖面仪探头和圆柱型几何体重合部分。
4.根据权利要求3所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，步骤s3中，使用ansys meshing将上述获得的三维几何模型进行网格划分，圆柱型仿真流体域的网格尺寸设置为0.01mm，组件网格设置尺寸大小为0.005mm，并检查网格质量。
5.根据权利要求4所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方法，其特征在于，步骤s4中，将网格文件导入fluent后参数设置包括：
6.根据权利要求5所述的一种基于投弃式海流剖面仪探头的旋转尾翼结构优化方...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜立彬，杜晟，陈光源，吕婧，贺海靖，柳泽政，崔永超，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：
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