海洋湍流观测技术

湍流在海洋能量和水体的交换演化中起着非常重要的作用。海洋湍流研究的发展和海洋湍流观测仪器的研发密切相关。世界上湍流观测仪器的研发起步于上世纪50年代,但是我国在湍流观测设备方面到目前为止仅仅处于起步和引进国外设备阶段。针对我国的情况,文中对海洋湍流观测的平台、探头测量原理及其数据修正、资料后处理等关键技术做一个总结性的介绍,为我国使用引进的海洋湍流设备和自主开发海洋湍流测量设备提供参考。     

XBT探头外形数值模拟及实验研究

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。     

基于水下滑翔机的湍流观测平台研究

海洋湍流混合过程对大洋热盐环流具有重要调控作用,因此海洋湍流混合特征量如湍动能耗散率等物理量的定量刻画,主要通过现场湍流观测来实现。为满足长期连续海洋湍流混合观测资料的迫切需求及打破国外的技术封锁,自行研制了基于水下滑翔机的湍流观测仪。为了测试滑翔机在小尺度湍流观测方面的可行性,将一个携带有剪切探头的湍流仪安装在滑翔机本体上,并在千岛湖进行了一系列的实验。滑翔机平台的主要噪声来源于浮力调节机构中的油泵,油泵会在接近剖面的底端时开启。三轴加速度谱在30 Hz左右有明显的谱峰,说明滑翔机油泵的振动频率应该是在30 Hz左右,在其他频率点上振动较小。由剖面下潜过程(开泵)的波数谱可知,开泵时虽然对湍流观测有影响,但是振动频率在波数空间中处于无效观测谱一侧,由此说明平台的振动对剪切信号影响很小。剪切探头测得的耗散率在10-7 W/kg量级上,且都与Nasymth理论谱吻合良好,验证了滑翔机在小尺度湍流观测方面的可行性。     

XCP投弃式海洋探头阻力系数数值计算及试验研究

以XCP探头为模型,采用有限体积法结合κ-ε两方程湍流模型,对XCP探头阻力系数进行了数值计算,研究了XCP探头的阻力特性。获得了不同雷诺数下阻力系数的变化趋势和水下稳定运动时的极限速度。结果表明阻力系数随着雷诺数的增加而减小,其数值计算结果与海上实测数据基本吻合,验证了该数值计算方法的正确性,可为XCP探头结构设计提供参考。     

旋转对投弃式海洋剖面仪运动特性影响的数值研究

在旋转坐标系下,采用有限体积法结合两方程k-ε湍流模型,对投弃式海流剖面仪(eXpendable CurrentProfiler,XCP)探头三维流场进行数值模拟.研究旋转对XCP探头流动特性的影响,对比分析了无旋转与旋转下探头周围流场分布,数值计算得到了不同转速下阻力系数和极限速度.研究表明,旋转会使探头整个流场增加...     

NMOHEMS探头外形对其下沉运动的影响分析

NMOHEMS 探头是一种由无人机运载的小型投掷式探头,采用混合网格技术结合湍流模型,建立了探头下沉运动的数值计算方法,分析了导流腔、收缩段及尾翼对探头下沉运动的影响;通过6种外形探头在不同雷诺数下的阻力系数和相同质量下的极限速度对比,发现探头外形对其下沉运动数值计算的结果影响较大;其中导流腔和收缩段均具有明显的减阻作用,且收缩段的影响更大,而尾翼具有一定的增阻作用;lgRe 在2.3~3.8时,6种外形探头的阻力系数差别较大,随着雷诺数的增加,阻力系数均迅速减小;lgRe 在3.8~5.1时,6者的阻力系数比较接近,虽仍然保持减小趋势,但变化趋于缓慢.NMOHEMS 探头的体型较小,下沉速度较慢,对其下沉运动进行数值计算时,必须考虑外形对数值计算结果的影响.     

湍流剖面仪系统动力学分析与实验研究

文章开发了采集海洋湍流数据的一种新型湍流剖面仪。应用动力学方法分析了系统运动特性,并设计开发了原理样机,包括:微尺度流信号放大处理电路,并扩展了FLA SH存储器(K 9f2808U 0C)保存测量结果,及RS232传输协议的数据通信电路设计。此系统可获得海洋垂直剖面2 mm尺度的剪切流速度数据。湖试实验结果表明此湍流剖面测量仪性能良好,可以满足微结构流测量要求。     

切向流速探头简介

切向流速探测器是海洋湍流探测中基本的和必要的工具。该探测器可用压电陶瓷双金属片作其传感器。本文介绍了一种目前国际上常用的切向流速探头的结构、制作方法、工作原理、测定其灵敏度的装置、步骤以及在用回归法拟合实验曲线求灵敏度时所用的回归方程。文中还证明了多年来一些海洋学家所采用的拟合函数并非是最佳的。     

剪切湍流数据处理技术

湍流在海洋能量和水体的交换演化中起着非常重要的作用.海洋湍流研究的发展和海洋湍流观测仪器的研发密切相关.世界上湍流观测仪器的研发起步于20世纪50年代,但是我国在湍流观测设备方面到目前为止仅仅处于起步和引进国外设备阶段.针对我国的情况,利用DSP技术设计电路,并通过电路对剪切湍流数据进行处理.用ALEC公司生产的湍流剖...     

抛弃式温盐探头阻力系数的数值模拟及其实验验证

采用时变雷诺方程结合κ-ε湍流模型,模拟探头在下沉过程中的运动状态。根据模拟所得探头附近速度与压力分布,积分出阻力系数,由此分析阻力系数随雷诺数变化规律。同时进行物理实验,并与数值结果比较,二者吻合较好。