高速大深度拖曳系統(tǒng)設(shè)計與試驗

陶光勇

(中科長城海洋信息系統(tǒng)有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引 言

近年來，為快速地開展大范圍的海洋科學(xué)研究，高速大深度拖曳系統(tǒng)在海洋科考和漁業(yè)探測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。該系統(tǒng)一般由收放裝置、拖纜和拖體組成，其中：拖體通常作為水下電子設(shè)備和傳感設(shè)備的載體，在拖曳過程中，其深度是關(guān)鍵的控制參數(shù)；拖纜作為連接拖體與收放裝置的傳輸介質(zhì)，在航速和長度一定的情況下，其張力對拖體深度有著重要的影響。為使整個拖曳系統(tǒng)具有良好的水動力性能，需對拖體和拖纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計，對拖曳系統(tǒng)的張力進行分析和預(yù)估，以滿足高速拖曳下的大深度應(yīng)用要求。

國內(nèi)外學(xué)者已對拖曳系統(tǒng)進行一定的研究，例如：王志博[2]在功能、結(jié)構(gòu)強度、抗腐蝕和測試性設(shè)計等方面對水下附體提出了需解決的問題；焦?jié)山3]對拖體的安全性設(shè)計提出了解決措施；張大朋等[4]對300 m拖纜系統(tǒng)在低航速下的穩(wěn)態(tài)拖曳進行了分析；王巖峰等[5]對9 kn航速內(nèi)的拖曳系統(tǒng)進行了設(shè)計和試驗驗證；朱克強[6]對不同截面纜的阻力系數(shù)進行了分析，并對100 m的拖纜系統(tǒng)在低航速下的穩(wěn)態(tài)拖曳進行了計算；肖華攀等[7]對3種線型拖體的流阻特性進行了分析；李志印等[8]對水下拖體的仿真方法進行了對比。這些研究可供拖曳系統(tǒng)的設(shè)計參考，但都以中小尺度和面向中低航速應(yīng)用為主，且主要開展的是單個組成部分的分析研究，很少系統(tǒng)地開展航速大于10 kn(甚至大于15 kn)的高速大深度拖曳系統(tǒng)設(shè)計研究，本文基于Fluent軟件對高速大深度拖曳系統(tǒng)的迎流線型和結(jié)構(gòu)工藝進行綜合設(shè)計，并對其進行力學(xué)分析?；诜治瞿Ｐ陀嬎愕湫秃剿傧碌耐象w下沉深度，并通過實際測試驗證設(shè)計結(jié)果滿足使用要求。

1 拖曳系統(tǒng)設(shè)計

某海洋科考拖曳系統(tǒng)擬實現(xiàn)在纜長不超過300 m、航速為15 kn時下沉深度不小于100 m，系統(tǒng)由拖體、拖纜和收放裝置組成(見圖1)。

圖1 拖曳系統(tǒng)組成

拖體內(nèi)置有電子設(shè)備和傳感設(shè)備，用于觀測海洋環(huán)境和采集信號，拖纜為集信號傳輸和力學(xué)承重功能于一體的輕型鎧裝纜，初始段纏繞在收放裝置上，末端連接拖體，在絞車的驅(qū)動下對拖體進行自由收放。

在航速和纜長一定的情況下，根據(jù)系泊水下浮筒纜索分析[9],為獲得較大的下沉深度，需減小拖曳系統(tǒng)的阻力。拖曳系統(tǒng)的減阻設(shè)計包括拖體的外形設(shè)計和拖纜的纜形設(shè)計，這2個因素直接影響拖曳過程中系統(tǒng)的水阻特性。為獲得較好的流體外形，結(jié)合拖體內(nèi)置單元的布局尺寸要求，對拖體外形的幾種線型組合進行優(yōu)化比對。拖體的約束條件為總長不超過2 000 mm，總高不超過600 mm，考慮到艉部平衡翼尺寸，主體尺寸限定在1 400 mm范圍內(nèi)，主體尺寸由迎流段、水平過渡段和艉部順流段組成。為獲得較好的阻力特性，基于Fluent對迎流段為半橢圓、長短軸尺寸不同的線型進行仿真，計算拖體的阻力系數(shù)。為保證安裝空間最大化,設(shè)置迎流段為半橢圓：長軸指向豎直方向，半徑為300 mm；短軸指向水平方向，半徑分別為150 mm、200 mm、250 mm和300 mm；水平過渡段的長度固定為800 mm。為保證控制區(qū)域的大小對數(shù)值模擬結(jié)果的影響最小，需使控制區(qū)域足夠大，拖體仿真分析模型見圖2。

圖2 拖體仿真分析模型

圖3為不同線型下拖體的壓差阻力系數(shù)和切向阻力系數(shù)變化曲線。由圖3可知：切向阻力系數(shù)比壓差阻力系數(shù)小很多，最大僅為壓差阻力系數(shù)的3.5%；當(dāng)短軸半徑為150 mm時，拖體的壓差阻力系數(shù)為0.585，切向阻力系數(shù)為0.003；當(dāng)短軸半徑增加到200 mm時，拖體的壓差阻力系數(shù)為0.423,切向阻力系數(shù)為0.005；當(dāng)短軸半徑增加到250 mm時，拖體的壓差阻力系數(shù)為0.244，切向阻力系數(shù)為0.007；當(dāng)短軸半徑增加到300 mm時，拖體的壓差阻力系數(shù)為0.229,切向阻力系數(shù)為0.008。隨著短軸半徑的增加，拖體的壓差阻力系數(shù)逐漸減小，在短軸半徑大于250 mm之后趨于穩(wěn)定；拖體的切向阻力系數(shù)隨著短軸半徑的增加而逐漸增大，這是由于隨著短軸半徑的增加，迎流面與過渡段的過渡曲率變小，迎流的沖擊減小，過渡引流作用得到增強。

a) 壓差阻力系數(shù)

不同線型下的流速分布云圖見圖4，由于拖體是對稱分布的，來流經(jīng)過拖體迎流面之后沿上、下兩側(cè)分流，流速相對中心增加接近1倍，流場基本上是對稱分布的，隨著短軸半徑的增加，分流之后的最高流速點位置逐漸向中心靠攏，切向阻力系數(shù)相比壓差阻力系數(shù)基本上可忽略不計，流體阻力基本上由壓差阻力組成，阻力系數(shù)的仿真值與文獻[9]的推薦范圍0.21～0.60吻合。

a) 短軸半徑150 mm

根據(jù)迎流段不同線型仿真對比結(jié)果，結(jié)合空間優(yōu)勢，選擇短軸半徑為250 mm作為拖體的迎流面曲線。

拖纜用于進行力學(xué)承重和信號傳輸，滿足反復(fù)收放使用要求。為減小拖纜阻力，擬在拖纜上安裝流線型單元改變拖纜的流場；考慮到便于加工和快速更換維護，該單元的線型采用半橢圓加直線的方式，其中,迎流端面為橢圓，順流段為直線，見圖5。

a) 左視圖

為比較圓形截面裸纜與流線型纜的阻力系數(shù)，本文基于Fluent對流線型拖纜和圓柱型拖纜進行仿真分析，仿真模型和阻力系數(shù)仿真結(jié)果見圖6和圖7。當(dāng)采用圓形截面裸纜拖曳時，在裸纜的背流面形成若干渦流，其阻力系數(shù)為1.27；當(dāng)采用流線型拖纜拖曳時，在拖纜的兩邊形成對稱流場，其阻力系數(shù)降低至0.26。由此可見，帶導(dǎo)流套的流線型拖纜相比裸纜，其流體阻力性能得到了顯著改善，經(jīng)過線型優(yōu)化，橢圓的短軸半徑為14 mm，長軸半徑為25 mm。

圖7 流線型拖纜仿真模型和阻力系數(shù)仿真結(jié)果

2 拖曳系統(tǒng)力學(xué)分析

拖曳模型由拖纜和拖體組成，以拖纜與拖船的連接點O為原點，下沉方向為z軸方向，滯后方向為x軸方向。當(dāng)只考慮二維共面的水流時，纜繩在水中的重量WI可定義為

WI=Fb-W

(1)

式(1)中：Fb為纜繩的浮力；W為纜繩的重量。若WI為正值，則纜繩的浮力為正；若WI為負(fù)值，則纜繩的浮力為負(fù)。取拖纜的微元段進行力學(xué)分析，水流引起的水動力[10]可表示為

(2)

式(2)中：Cn為垂向(法向)阻力系數(shù);ρ為海水密度；D為拖纜直徑；U為拖繩拖動速度；ds為微元段長度。

當(dāng)纜繩與水流的水平方向成角度φ時，阻力就可表示為2個分量，即纜繩的垂向分量和纜繩的切向分量。垂向分量和切向分量可分別表示為

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Cf為切向阻力系數(shù)。

(5)

式(5)中：Re為海流雷諾數(shù)。

(6)

式(6)中：v為航速;γ為液體運動黏度。

由法向力與切向力的矢量和可得到纜繩平衡方程為

Tdφ=(FD+WIcosφ)ds

(7)

dT=(WIsinφ-FT)ds

(8)

則將上述方程簡化后積分可得

(9)

(10)

(11)

式(9)～式(11)中:T0為原點處的張力；s為從原點開始的纜繩長度；x和z分別為沿著角度為φ的纜繩距離原點的纜長s上任意一點的坐標(biāo)值。

繩索張力可分為水平張力TH和垂直張力TV，合張力為

(12)

繩索與水平方向的夾角可表示為

(13)

原點處的垂直張力TV可近似等于纜繩重量與拖體重量之和，即

TV=m1g+m2g

(14)

式(14)中：m1g為纜繩在水中的重量；m2g為拖體在水中的重量。

原點處的水平張力TH可近似等于拖體阻力與拖纜阻力之和，即

TH=FD1+FD2

(15)

式(15)中：FD1為拖纜在水中的阻力，可根據(jù)式(3)和式(4)計算；FD2為拖體在水中的阻力，可根據(jù)阻力定律計算。阻力定律的表達(dá)式為

(16)

式(16)中：An為拖纜的橫截面積。計算時拖體阻力系數(shù)CD取仿真結(jié)果值0.244。

在首次計算拖纜在水中的阻力FD1時，傾斜角φ0擬采用拖纜末端連接拖體處的夾角ω，其表達(dá)式為

(17)

根據(jù)式(13)可得第一組原點處的纜繩夾角φ1，對φ0與φ1求和并平均值，再次計算纜繩阻力，迭代原點處的水平張力TH，重復(fù)計算式(13)，可得第二組原點處的纜繩夾角φ2;對φ0與φ2求和并平均值，再次計算纜繩阻力，迭代原點處的水平張力TH，重復(fù)計算式(13)，直至迭代誤差小于期望值為止，即

(18)

(19)

計算時拖纜法向阻力系數(shù)Cn取仿真結(jié)果0.26，海水密度ρ取1 030 kg/m3，水的運動黏度取20 ℃時海水的數(shù)據(jù)γ=1.056 5×10-6m2/s。

3 拖曳系統(tǒng)纜深計算

根據(jù)拖曳系統(tǒng)的主要應(yīng)用場合，分別對入水長度為50 m、100 m、150 m、200 m、250 m和300 m時系統(tǒng)下沉深度值進行計算，結(jié)果見表1。

表1 不同纜長、不同航速下拖曳系統(tǒng)下沉深度值計算結(jié)果

圖8為拖體阻力和拖纜阻力隨航速的變化曲線。從圖8中可看出：拖體的阻力相比拖纜的阻力小得多，當(dāng)入水長度為50 m時，在15 kn航速下，拖體的阻力為1 293 N，拖纜的阻力為5 505 N。隨著入水長度和航速的增加，拖纜的阻力逐漸增大;當(dāng)入水長度為50 m、航速為3 kn時，拖纜的阻力為3 937 N;當(dāng)入水長度為300 m、航速為3 kn時，拖纜的阻力為7 952 N；當(dāng)入水長度為300 m、航速為15 kn時，拖纜的阻力為12 261 N。

圖8 拖體阻力和拖纜阻力隨航速的變化曲線

圖9為拖纜的入水角隨航速的變化曲線。從圖9中可看出：不同長度拖纜在同一航速下的入水角相差較小，在同一長度下，隨著航速的增加，拖纜的入水角減小。當(dāng)拖纜長度為50 m時，3 kn航速下拖纜的入水角為84.4°，15 kn航速下拖纜的入水角為33.8°；當(dāng)拖纜長度為300 m時，3 kn航速下拖纜的入水角為75.6°,15 kn航速下拖纜的入水角為23.8°。

圖9 拖纜的入水角隨航速的變化曲線

圖10為不同長度拖纜在不同航速下的滯后曲線。從圖10中可看出，隨著航速的增加，滯后距離逐漸增大。以50 m入水長度為例，3 kn航速下滯后距離為14 m，15 kn航速下滯后距離為46.8 m。

圖10 不同長度拖纜在不同航速下的滯后曲線

圖11為不同纜長、不同航速下的拖體下沉深度曲線。從圖11中可看出：在同一纜長下，隨著航速的增加，拖體下沉深度減??；在低航速下，隨著拖纜入水長度的增加，拖體下沉深度增加明顯；在高航速下，隨著纜長的增加，拖體下沉深度趨于平緩。當(dāng)拖纜入水長度為50 m、航速為3 kn時，拖體下沉深度為47.23 m；當(dāng)拖纜入水長度為50 m、航速為15 kn時，拖體下沉深度為23.35 m。當(dāng)拖纜入水長度為300 m、航速為3 kn時，拖體下沉深度為261.88 m；當(dāng)拖纜入水長度為300 m、航速為15 kn時，拖體下沉深度為117.28 m。

圖11 不同纜長、不同航速下的拖體下沉深度曲線

4 海上試驗測試

在海況良好的條件下開展試驗測試，由于試驗平臺航速的限制，只開展中低航速下拖體下沉深度的測試，測試結(jié)果見表2。

表2 中低航速下拖體下沉深度的測試結(jié)果

從表2可看出，設(shè)計值與實測值吻合度較好，6 kn和7 kn航速下差值在10%以內(nèi)，8 kn和9 kn航速下差值在8%以內(nèi)。由于設(shè)計計算時未考慮海流的疊加影響，而實際海試時存在海流，因此數(shù)值出現(xiàn)了偏差。

5 結(jié) 語

為滿足高速大深度拖曳的應(yīng)用需求，本文對拖曳系統(tǒng)設(shè)計進行了全面的分析、計算和驗證，通過對拖體的輪廓造型和拖纜的橫截面形狀進行仿真優(yōu)化，拖體的阻力系數(shù)達(dá)到了0.24，拖纜的阻力系數(shù)達(dá)到了0.26。對拖曳系統(tǒng)進行了水動力學(xué)分析，基于分析模型對6組纜長和16組航速進行了分析，得到了各種應(yīng)用工況下的拖纜張力、入水角、滯后距離和下沉深度，實現(xiàn)了航速為15 kn時深度不小于100 m的應(yīng)用要求。通過對數(shù)據(jù)進行對比分析得知，拖體阻力遠(yuǎn)小于拖纜阻力。在低航速下，隨著拖纜入水長度的增加，拖體下沉深度增加明顯；在高航速下，隨著纜長的增加，下沉效果趨于平緩。在拖體重量和纜長受限情況下，為獲得更好的下沉效果，需對拖纜減阻進行更深層次的優(yōu)化設(shè)計。本文的拖曳系統(tǒng)設(shè)計和分析方法對同類產(chǎn)品的設(shè)計具有較好的工程指導(dǎo)價值。