不同蓋板高度對(duì)拖體性能的影響研究

吳鵬程 趙林建 陳小星 郭磊磊

（中船重工第七一五研究所，杭州 310023）

不同蓋板高度對(duì)拖體性能的影響研究

吳鵬程 趙林建 陳小星 郭磊磊

（中船重工第七一五研究所，杭州 310023）

運(yùn)用STAR-CCM+軟件，對(duì)7種不同蓋板高度的拖體在不同偏角及不同攻角下的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到其流場、壓力分布。研究結(jié)果表明，拖體產(chǎn)生偏角后，其水動(dòng)力中心值隨著蓋板高度的增加而減小，拖體的穩(wěn)定性隨著蓋板高度的增加而減弱；拖體產(chǎn)生攻角后，其水動(dòng)力中心值隨著蓋板高度的增加而增加（蓋板高度為0的拖體除外），拖體的穩(wěn)定性隨著蓋板高度的增加而增強(qiáng)。拖體在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的升阻比隨著蓋板高度的增加先減小后增大，即在放纜長度相同時(shí)，拖體入海的深度先增大后減小。蓋板高度a=60mm時(shí)，拖體的綜合性能最優(yōu)。該項(xiàng)研究為拖體設(shè)計(jì)提供了一種有效方法。

蓋板高度，拖體，水動(dòng)力，偏角，攻角，STAR-CCM+

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，陸地上可開采的資源逐漸減少，占地球表面積70.8%的海洋成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海洋蘊(yùn)含的資源為陸地的幾倍甚至幾十倍[1]。由拖纜和裝載各種設(shè)備的拖體組成的水下探測系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的海洋探測系統(tǒng)。拖體的水動(dòng)力性能對(duì)拖曳系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，而拖體結(jié)構(gòu)又對(duì)拖體性能至關(guān)重要，因此，有必要研究拖體結(jié)構(gòu)對(duì)拖體性能的影響。不同拖體結(jié)構(gòu)在海洋中的性能研究主要分為試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究兩種類型，其中，數(shù)值模擬研究具有低成本、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。在STARCCM+軟件中采用雷諾平均（RANS）方法和realizable模型數(shù)學(xué)算法對(duì)水下拖體進(jìn)行仿真，能夠得到較為理想的結(jié)果[2]。本文采用SOLIDWORKS軟件設(shè)計(jì)拖體模型，采用STAR-CCM+軟件對(duì)不同蓋板高度拖體的水動(dòng)力性能進(jìn)行分析研究，以設(shè)計(jì)出合理的拖體結(jié)構(gòu)。

1 建 模

1.1 外形建模

由于拖體需要存放各種探測儀器，所以，拖體的總體積應(yīng)得到保證，即所有拖體的包絡(luò)總體積應(yīng)一致。如圖1所示，模型中拖體結(jié)構(gòu)的總體積為234dm3，蓋板高度a分別取180mm、150mm、120mm、90mm、60mm、30mm、0mm，b對(duì)應(yīng)變化。

1.2 流場建模

拖體在不可壓縮流體中運(yùn)動(dòng)，周邊流場相對(duì)于拖體作湍流運(yùn)動(dòng)，流場控制方程可采用連續(xù)性方程（1）、N-S方程（2），湍流模型可采用Launder和Spalding[3]提出的k-ε模型。

選取合適的坐標(biāo)系，流域入口速度為4m/s（工作速度），拖體姿態(tài)為：偏角0、5°、10°，攻角5°、-5°、0、10°、-10°，出口為壓力出口，四周邊界為滑移邊界。網(wǎng)格由邊界層控制的自動(dòng)網(wǎng)格生成，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芗罢{(diào)整，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格敏感性驗(yàn)證。a=60mm的模型偏角為5°時(shí)的網(wǎng)格如圖2所示。

2 結(jié)果與討論

運(yùn)用STAR-CCM+軟件對(duì)7種不同a值的模型在不同偏角及不同攻角下的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其流場分布，圖3、圖4分別為a=60mm的模型在偏角為10°、攻角為10°時(shí)的壓力云圖。

對(duì)不同蓋板高度的拖體在不同工況時(shí)的受力進(jìn)行分析，可以得到其相應(yīng)的水動(dòng)力中心值。在圖2坐標(biāo)系中，水動(dòng)力中心值大于0，說明水動(dòng)力中心在拖點(diǎn)之后，拖體發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，存在回復(fù)力矩使拖體恢復(fù)原態(tài)，且該值越大，拖體的回復(fù)趨勢越強(qiáng)。

對(duì)不同蓋板高度的拖體在不同偏角時(shí)的受力進(jìn)行分析，得到各種模型在不同偏角時(shí)的水動(dòng)力中心，如圖5所示?？梢钥闯觯S著蓋板高度的增加，拖體的水動(dòng)力中心減小，且蓋板高度為0、30mm、60mm的拖體水動(dòng)力中心一直大于0，故拖體產(chǎn)生偏角后，其穩(wěn)定性隨著蓋板高度的增加而降低，蓋板高度為0、30mm、60mm的拖體在產(chǎn)生偏角后，一直存在回復(fù)力矩使拖體恢復(fù)原態(tài)。

各種模型在不同攻角時(shí)的水動(dòng)力中心如圖6所示?？梢钥闯觯诓煌ソ窍?，隨著蓋板高度的增加，拖體的水動(dòng)力中心增加（蓋板高度為0的拖體除外），且所有拖體的水動(dòng)力中心均大于0。由于水動(dòng)力中心值越大，拖體越穩(wěn)定，故拖體產(chǎn)生攻角后，其穩(wěn)定性隨著蓋板高度的增加而增加。

對(duì)綜合水動(dòng)力中心進(jìn)行分析可知，a分別為0、30mm、60mm的拖體模型較為合適。對(duì)不同蓋板高度的拖體模型在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（即偏角、攻角為0時(shí)）的升阻比（FL/FD）進(jìn)行分析，如圖7所示。

由圖7可知，隨著蓋板高度的增加，拖體的升阻比先減小后增大，說明拖體在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)與托纜的夾角先增大后減小。放纜長度相同時(shí)，拖體入海深度先增大后減小，且蓋板高度a=0時(shí)，入海深度最小，蓋板高度a=60mm時(shí)，入海深度最大。雖然采用a=0模型在拖體產(chǎn)生偏角和攻角時(shí)最穩(wěn)定，但其放纜成本最高。綜合考慮穩(wěn)定性和成本因素，選用a=60mm模型。

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用STAR-CCM+軟件對(duì)7種不同蓋板高度的拖體在不同偏角及不同攻角下的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了其流場、壓力分布。經(jīng)過分析，可得出以下結(jié)論：

（1）拖體產(chǎn)生偏角后，拖體的水動(dòng)力中心值隨著蓋板高度的增加而減小，拖體的穩(wěn)定性隨著蓋板高度的增加而降低，蓋板高度為0、30mm、60mm的拖體在產(chǎn)生偏角后，一直存在回復(fù)力矩使其恢復(fù)原態(tài)。

（2）拖體產(chǎn)生攻角后，拖體的水動(dòng)力中心值隨著蓋板高度的增加而增加（蓋板高度為0的拖體除外），拖體的穩(wěn)定性隨著蓋板高度的增加而提高。

（3）拖體在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的升阻比隨著蓋板高度的增加先減小后增大，在放纜長度相同時(shí)，拖體入海深度先增大后減小，蓋板高度a=60mm時(shí)，距離達(dá)到最大。

（4）蓋板高度a=60mm的拖體綜合性能最優(yōu)。

1 于華男. 開架式水下機(jī)器人辨識(shí)與控制技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué), 2003

2 趙林建, 陳小星. 基于STAR-CCM+的拖體水動(dòng)力特性仿真計(jì)算[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品, 2016, (9): 116～117

3 Launder B E, Spalding D B. Lectures in Mathematical Models of Turbulence[M]. London: Academic Press, 1972

1009-8119（2017）07（1）-0057-02