基于CFX的水下拖曳鏈水動(dòng)力分析

孫昕煜 蘇石飛 郝浩琦

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于CFX的水下拖曳鏈水動(dòng)力分析

孫昕煜 蘇石飛 郝浩琦

（第七一五研究所，杭州，310023）

采用CFX流體動(dòng)力分析軟件對(duì)水下拖曳鏈進(jìn)行水動(dòng)力分析，并計(jì)算拖曳鏈的流阻力系數(shù)，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定仿真分析與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差，證明采用CFX軟件對(duì)拖曳鏈進(jìn)行水動(dòng)力分析是有效可行的。

拖曳鏈；水動(dòng)力；有限元分析；阻力系數(shù)

由于水的粘滯性，水下拖曳鏈系在水中移動(dòng)時(shí)，水流會(huì)對(duì)拖曳鏈系形成拖曳阻力。拖曳阻力會(huì)使鏈系與海平面形成一定的拖曳角（鏈系與鉛直方向夾角），而且拖曳角會(huì)隨著母船航行速度的增加而增大，極端情況下鏈系會(huì)被甩出海平面，造成嚴(yán)重后果。當(dāng)拖曳鏈系定長(zhǎng)時(shí)，拖曳角的增大也勢(shì)必會(huì)造成拖體垂直深度變淺，而拖體正常工作須一定的水深范圍，因此分析拖曳鏈系的拖曳阻力對(duì)整個(gè)拖曳鏈系姿態(tài)的影響是很有必要的。拖曳鏈系中的拖體可以設(shè)計(jì)成流線型，拖曳時(shí)產(chǎn)生的阻力很小(阻力主要來(lái)自于拖曳鏈)。分析拖曳鏈拖曳阻力是研究整個(gè)拖曳鏈系受力情況中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。

1 拖曳鏈水動(dòng)力計(jì)算模型

拖曳鏈?zhǔn)怯蓤D1中所示的多個(gè)鏈環(huán)串連而成，擬分析的拖曳鏈直徑為32 mm的標(biāo)準(zhǔn)有擋鏈環(huán)，鏈環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖1 鏈環(huán)結(jié)構(gòu)

表1 鏈環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸

由于拖曳鏈?zhǔn)潜容^復(fù)雜的流體模型，采用理論計(jì)算較為繁瑣，現(xiàn)擬采用Ansys有限元分析軟件中的CFX軟件對(duì)拖曳鏈進(jìn)行水動(dòng)力分析與仿真。CFX軟件是工程中應(yīng)用較為廣泛的流體動(dòng)力分析軟件，計(jì)算精度和可靠性優(yōu)于同類仿真軟件。首先，采用CFX軟件對(duì)拖曳鏈進(jìn)行建模。由于拖曳鏈結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，網(wǎng)格劃分難度和數(shù)量大，為了減少計(jì)算量，考慮到拖曳鏈環(huán)的結(jié)構(gòu)特征是周期性，只沿拖曳鏈長(zhǎng)度方向建四節(jié)鏈環(huán)模型，模型兩端在鏈環(huán)中檔處截?cái)?。建立的拖曳鏈模型如圖2(a)所示。然后定義單元類型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元單元網(wǎng)格模型如圖2(b)所示。運(yùn)用SIMPLE算法和SST湍流模型，設(shè)置來(lái)流速度為3.0 m/s，求解穩(wěn)態(tài)不可壓縮粘性流體N-S方程，得到不同傾角下拖曳鏈的流載荷FD，并將流載荷分解為沿拖曳鏈軸線方向的切向力FT和垂直于軸線方向的法向力FN。圖2(c)為拖曳鏈某一橫截面處的壓力云圖。

圖2 (a)拖曳鏈模型

圖2 (b)拖曳鏈網(wǎng)格模型

圖2 (c)拖曳鏈壓力云圖

采用周期性邊界條件，分別對(duì)以下四種工況進(jìn)行計(jì)算：（a）拖曳鏈垂直正對(duì)流；（b）在XOY平面內(nèi)，拖曳鏈縱傾45°正對(duì)流；（c）拖曳鏈垂直，流偏角45°；（d）拖曳鏈縱傾45°，流偏角45°。在對(duì)四種工況進(jìn)行分析后，對(duì)流載荷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 拖曳鏈流阻力計(jì)算結(jié)果

在應(yīng)用莫里森方程計(jì)算拖曳鏈張力時(shí)，通常分別定義單位長(zhǎng)度拖曳鏈的切向流阻力系數(shù)CT和法向流阻力系數(shù)CN為：

其中，V表示來(lái)流速度，θ表示拖曳鏈法向與來(lái)流的夾角（平面縱傾角），L是拖曳鏈長(zhǎng)度，g是重力加速度。同理可以定義流阻力系數(shù)：

根據(jù)表2所得到的幾種工況下單位長(zhǎng)度拖曳鏈的受力情況，計(jì)算拖曳鏈的流阻力系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 拖曳鏈流阻力無(wú)因次結(jié)果

2 CFX計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證CFX軟件計(jì)算出的拖曳鏈水動(dòng)力分析結(jié)果，選擇開(kāi)闊水域?qū)胃弦锋溸M(jìn)行了拖曳試驗(yàn)。拖曳鏈長(zhǎng)度20.8 m，靜止時(shí)水中重量為446 kg。當(dāng)拖曳速度為3 m/s時(shí)，用張力傳感器測(cè)得拖曳力為399 kg，縱向拖曳角為40.7°。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以換算出單位長(zhǎng)度拖曳鏈的實(shí)測(cè)切向系數(shù)CT=0.765，法向流阻力系數(shù)CN=2.7。通過(guò)CFX軟件進(jìn)行流動(dòng)力分析拖曳鏈縱傾角為40.7°時(shí)的切向流阻力系數(shù)和法向流阻力系數(shù)，將數(shù)值結(jié)果列于表4。然后對(duì)速度為3.5 m/s的拖曳數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并計(jì)算此時(shí)的流阻力系數(shù)，同樣將數(shù)據(jù)列于表4。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，理論值與實(shí)驗(yàn)值的誤差在小于10%的范圍內(nèi)，表明計(jì)算結(jié)果是可信的。

表4 流阻力系數(shù)對(duì)比

上述拖曳鏈水動(dòng)力計(jì)算模型為拖曳鏈水動(dòng)力和形態(tài)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。例如改變拖曳鏈的形狀、尺寸、材料等參數(shù)，就可以用理論估算方法快速得到拖曳力和傾角。計(jì)算方法如下：

（1）應(yīng)用CFX軟件對(duì)拖曳鏈進(jìn)行CAD建模，計(jì)算不同傾角下拖曳鏈的流阻力，并根據(jù)式（3）推導(dǎo)出流阻力系數(shù)；

（2）分析流阻力系數(shù)與傾角之間的關(guān)系，建立擬合關(guān)系式CD=f（θ）；

（3）建立拖曳力T、流阻力FD、重力G、浮力B之間的靜力平衡關(guān)系式，求解拖曳力T和傾角θ。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)水下拖曳鏈的水動(dòng)力分析，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)利用CFX軟件仿真得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)偏差很小，仿真數(shù)據(jù)是有效可信的。在以后的工程設(shè)計(jì)中，可在CFX軟件中任意改變拖曳鏈的形狀、尺寸、材料等參數(shù)，就可快速得到拖曳力和傾角，這對(duì)于拖曳鏈尺寸的選取以及整個(gè)拖曳系統(tǒng)水動(dòng)力分析都有一定的實(shí)用意義。

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表4 兩只標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器接收靈敏度溫度試驗(yàn)偏差分析

4 結(jié)論

本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器溫度穩(wěn)定性進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)室研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓電陶瓷材料、包覆透聲材料對(duì)標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器溫度穩(wěn)定性有一定影響，但在標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器工作10℃~35℃范圍內(nèi)，上述因素導(dǎo)致的溫度穩(wěn)定性差異較小，因此，在設(shè)計(jì)高穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器時(shí)，需要綜合時(shí)間穩(wěn)定性和壓力穩(wěn)定性因素，合理選擇方案，本實(shí)驗(yàn)研究對(duì)完成高穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器研制提供一定的實(shí)踐指導(dǎo)。

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