多自由度下拖曳體迫沉水翼控制力特征研究

羅鹿鳴，吳家鳴，楊顯原

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

0 引 言

水下拖曳體是一種在海洋研究、海洋監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有越來(lái)越廣泛應(yīng)用價(jià)值的水下探測(cè)平臺(tái)，它依靠由水面工作母船通過(guò)拖曳纜繩而提供的拖曳力獲得驅(qū)動(dòng)其前進(jìn)的動(dòng)力，該類(lèi)平臺(tái)主要用于執(zhí)行大范圍水下搜索探測(cè)任務(wù)，根據(jù)不同搜索探測(cè)任務(wù)的功能需求，拖曳體可以搭載不同類(lèi)型的水下化學(xué)、物理參數(shù)傳感器。迫沉水翼作為水下拖曳體作業(yè)過(guò)程中升沉運(yùn)動(dòng)的主要控制機(jī)構(gòu)，提高其在拖曳體操縱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，對(duì)迫沉水翼所發(fā)出的控制力進(jìn)行準(zhǔn)確有效的預(yù)測(cè)和模擬的水平，對(duì)性能優(yōu)良的新型軌跡控制水下拖曳體研發(fā)設(shè)計(jì)具有重要的工程意義。

現(xiàn)階段，包括滑移網(wǎng)格、動(dòng)網(wǎng)格、重疊網(wǎng)格等技術(shù)已廣泛運(yùn)用于船舶與海洋工程裝備與結(jié)構(gòu)物的流場(chǎng)特性研究中。其中，重疊網(wǎng)格法是指將物體的每個(gè)部件單獨(dú)劃分網(wǎng)格，然后嵌入另一套網(wǎng)格之中，通過(guò)“挖洞”等預(yù)處理后，在剩余的網(wǎng)格重疊區(qū)域內(nèi)建立插值關(guān)系，利用插值方法使網(wǎng)格間能傳遞流場(chǎng)數(shù)據(jù)信息。重疊網(wǎng)格法允許多個(gè)相互獨(dú)立的網(wǎng)格之間產(chǎn)生無(wú)約束的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，利用該技術(shù)能很好地處理物體在流場(chǎng)中的多自由度運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。在船舶工程數(shù)值模擬計(jì)算中，重疊網(wǎng)格法能夠?qū)崿F(xiàn)在船體自身運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上疊加螺旋槳以及舵的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并可以獲取它們之間相互作用的流場(chǎng)信息，是實(shí)現(xiàn)船、槳、舵配合以及自航操縱計(jì)算研究比較有效的數(shù)值方法之一。本文采用重疊網(wǎng)格技術(shù)，運(yùn)用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理模擬不同拖速下，迫沉襟翼在一定偏轉(zhuǎn)角幅值范圍內(nèi)進(jìn)行正弦擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的拖曳體及迫沉水翼的水動(dòng)力特征。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 控制方程與湍流模型

假定計(jì)算中流體為不可壓縮粘性流體，密度為常數(shù)，則其質(zhì)量守恒方程為：

動(dòng)量守恒方程為：

式中：τ，τ和τ為微元體表面上黏性應(yīng)力τ的分量；F ，F 和F為微元體上的體積力，若該體積力只有重力，且軸豎直向上，則F=0，F=0，F=ρ。

選用隱式不定常、-ω湍流、分離流，湍動(dòng)能方程如下：

Omega方程：

式中：

輔助關(guān)系式：

1.2 水下拖曳體幾何模型的構(gòu)建以及坐標(biāo)系

本文所研究的拖曳體為一多自由度可控制水下拖曳體，其主體為立式長(zhǎng)流線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，2個(gè)對(duì)稱(chēng)的魚(yú)雷形浮筒分布在主體左右，兩浮筒之間以固定水平翼相連。固定水平翼尾部設(shè)置了可操縱轉(zhuǎn)角迫沉襟翼，兩者一起構(gòu)成了迫沉水翼。實(shí)際操作中通過(guò)改變迫沉襟翼轉(zhuǎn)角，誘導(dǎo)固定水平翼攻角變化，進(jìn)而獲得使拖曳體上下升沉運(yùn)動(dòng)的控制力，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)拖曳體的深度控制。兩浮筒尾部還設(shè)置有用于對(duì)拖曳體在水平面運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)首姿態(tài)控制的導(dǎo)管螺旋槳。

由于本文以分析作為拖曳體在垂直面上升沉運(yùn)動(dòng)的主要控制機(jī)構(gòu)迫沉襟翼進(jìn)行正弦擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力特性為主題，構(gòu)建拖曳體幾何模型時(shí)，對(duì)導(dǎo)管螺旋槳的幾何特征做了簡(jiǎn)化處理。基于這些考慮所構(gòu)建的水下拖曳體幾何模型如圖1所示，其基本幾何尺寸見(jiàn)表1。

本文計(jì)算所采用固定坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 水下拖曳體模型Fig. 1 Underwater towed body model

表1 水下拖曳體系統(tǒng)基本幾何參數(shù)Tab. 1 Basic geometric parameters of underwater towed body system

圖2 本計(jì)算所采用的固定坐標(biāo)系統(tǒng)Fig. 2 The fixed coordinate system used in this calculation

1.3 單獨(dú)迫沉襟翼的運(yùn)動(dòng)方式

作為拖曳體升沉運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，本文所研究的迫沉襟翼轉(zhuǎn)角 Φ ()繞擺動(dòng)軸以正弦規(guī)律擺動(dòng)。

式中：為時(shí)間，s ； Φ ()為轉(zhuǎn)角，(°)。式（7）表明，迫沉襟翼轉(zhuǎn)角以=20s為一個(gè)周期進(jìn)行正弦擺動(dòng)。則迫沉襟翼擺動(dòng)的角速度為

式中：ω為角速度，s。

1.4 計(jì)算域網(wǎng)格的劃分

采用STAR-CCM+ 對(duì)拖曳體在拖曳過(guò)程中，其迫沉襟翼進(jìn)行正弦擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力特征進(jìn)行分析。

首先需要構(gòu)建1個(gè)長(zhǎng)×寬×高=12 000 mm×10 000 mm×8 000 mm的長(zhǎng)方形計(jì)算域，作為整體計(jì)算的背景域，拖曳體位于該計(jì)算域縱向軸的中心，拖曳體最前端離計(jì)算域進(jìn)口的距離為5 000 mm，以保證拖曳體去流段維持一定的長(zhǎng)度，避免尾流對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。采用運(yùn)動(dòng)相對(duì)性原理，以計(jì)算域的進(jìn)流速度取代拖曳體的拖速，通過(guò)這樣一種方式來(lái)觀察拖曳體在特定拖速下的水動(dòng)力特性。圖3為所構(gòu)建的長(zhǎng)方形計(jì)算域，以及拖曳體在域中的相對(duì)位置。圖中，軸正方向?yàn)閬?lái)流方向，軸方向?yàn)閿[動(dòng)軸方向，軸正方向?yàn)樨Q直向上方向。

為了研究迫沉襟翼在沿拖曳方向（軸負(fù)方向）上在不同拖速下控制力特征，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)以其擺動(dòng)軸為軸，包含迫沉襟翼的半徑為210 mm的圓柱體區(qū)域（即圖4中的Cylinder區(qū)域）。對(duì)圓柱體Cylinder與迫沉襟翼做布爾運(yùn)算（目標(biāo)為保留Cylinder）得到圓柱形旋轉(zhuǎn)計(jì)算域Ⅰ。同時(shí)，為了觀察拖曳體的多自由度運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)建一個(gè)如圖5所示的長(zhǎng)×寬×高=1 700mm×1 200mm×1 100 mm包裹著拖曳體的小立方體區(qū)域。對(duì)小立方體與拖曳體主體做布爾運(yùn)算（目標(biāo)為保留小立方體），得到小立方體計(jì)算域Ⅱ；將零部件“長(zhǎng)方形計(jì)算域”分配給區(qū)域，得到背景計(jì)算域Ⅲ。

圖3 長(zhǎng)方形計(jì)算域Fig. 3 Rectangular computational domain

圖4 Cylinder Fig. 4 Cylinder

所有計(jì)算域劃分效果如圖5所示。

圖5 計(jì)算域Fig. 5 Computational domain

為實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算域之間的流場(chǎng)信息交換，需要對(duì)計(jì)算域Ⅰ和Ⅱ創(chuàng)建重疊網(wǎng)格1交界面，對(duì)計(jì)算域Ⅱ和Ⅲ創(chuàng)建重疊網(wǎng)格2交界面。同時(shí)為更好地優(yōu)化建立計(jì)算域Ⅰ和Ⅱ邊界之間的聯(lián)系，新建一個(gè)與Cylinder同軸、半徑為220 mm的圓柱體Cylinder加密（見(jiàn)圖6），并對(duì)小立方體網(wǎng)格添加目標(biāo)零部件為“Cylinder加密”的體積控制節(jié)點(diǎn)。

圖6 Cylinder加密Fig. 6 Cylinder encryption

為更好優(yōu)化建立計(jì)算域Ⅱ和Ⅲ邊界之間的聯(lián)系，還需新建1個(gè)長(zhǎng)×寬×高=4 0 0 0 m m×2 0 0 0 m m×7 000 mm包裹著計(jì)算域Ⅱ的立方體“水池加密”（見(jiàn)圖7），并對(duì)背景計(jì)算域網(wǎng)格Ⅲ添加目標(biāo)零部件為“水池加密”的體積控制節(jié)點(diǎn)，其相對(duì)尺寸與小立方體網(wǎng)格2中小立方體表面網(wǎng)格尺寸一致，這保證了兩者網(wǎng)格重疊區(qū)域使用相同的方格密度數(shù)量級(jí)，最大程度上消除在2個(gè)網(wǎng)格間插入變量時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

圖7 水池加密Fig. 7 Pool encryption

由于在拖曳體斜上方設(shè)置了一條拖曳纜，為了更好地研究拖曳體在拖曳纜作用下的運(yùn)動(dòng)特性，圍繞斜上方拖曳點(diǎn)新建2個(gè)半徑分別為6.5 m，4.5 m，厚度為2 m的圓柱體Cylinder2，Cylinder3，針對(duì)2個(gè)圓柱體做布爾運(yùn)算得到一個(gè)閉合圓環(huán)（見(jiàn)圖8），對(duì)背景計(jì)算域Ⅲ添加目標(biāo)零部件為“閉合圓環(huán)”的體積控制節(jié)點(diǎn)，顯然拖曳體主要在水池與閉合圓環(huán)的重疊圓弧段運(yùn)動(dòng)。

圖8 閉合圓環(huán)Fig. 8 Closed circle

最后針對(duì)3個(gè)計(jì)算域創(chuàng)建3種不同質(zhì)量的網(wǎng)格操作，圓柱形旋轉(zhuǎn)計(jì)算域Ⅰ采用較為精細(xì)的網(wǎng)格1，小立方體計(jì)算域Ⅱ采用密度適中的網(wǎng)格2，背景計(jì)算域Ⅲ則采用較稀疏的網(wǎng)格3，它們的基準(zhǔn)值參見(jiàn)表2。

表2 網(wǎng)格操作控制基準(zhǔn)值Tab. 2 Grid operation control reference value

1.5 設(shè)置DFBI和六自由度求解器

在STAR CCM+中，設(shè)置DFBI（dynamic fluid body interaction）運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型六自由度運(yùn)動(dòng)的模擬，該方法尤其適用于模擬剛體在流體作用下的被動(dòng)作用。在本文的模型中，只有迫沉襟翼主動(dòng)擺動(dòng)，而拖曳體主體與固定水平翼則在流場(chǎng)作用下被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。為了研究迫沉襟翼的擺動(dòng)是如何影響拖曳體的升沉運(yùn)動(dòng)，以及考慮拖曳體的結(jié)構(gòu)因素對(duì)迫沉襟翼水動(dòng)力特性的特殊影響，并更好地在拖曳體系統(tǒng)中觀察固定水平翼及迫沉襟翼的水動(dòng)力特性，本文采用六自由度求解器并以拖曳體主體與迫沉水翼為目標(biāo)零部件，設(shè)置“DFBI旋轉(zhuǎn)和平移”運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)將小立方體計(jì)算域Ⅱ的運(yùn)動(dòng)規(guī)范設(shè)置為“DFBI旋轉(zhuǎn)和平移”；對(duì)新建的多自由度體拖曳體建立體驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)“拖曳體-Motion”，并疊加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸沿軸方向，旋轉(zhuǎn)速率依照式（8），同時(shí)將圓柱形旋轉(zhuǎn)計(jì)算域Ⅰ的運(yùn)動(dòng)規(guī)范設(shè)置為“拖曳體-Motion”。

1.6 邊界條件的設(shè)置

表3給出了各計(jì)算域之間的邊界條件類(lèi)型。

表3 邊界條件的設(shè)置Tab. 3 Setting of boundary conditions

2 數(shù)值模擬及計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)所要研究對(duì)象的計(jì)算性質(zhì)和重疊網(wǎng)格技術(shù)的要求，采用以上所構(gòu)建的計(jì)算域?qū)ν弦敷w在一定拖速范圍內(nèi)，迫沉襟翼以一定的幅角正弦擺動(dòng)下所表現(xiàn)出的水動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，觀察在這樣的拖曳工況下：1）迫沉襟翼在轉(zhuǎn)角擺動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的迫沉力、所受到的阻尼力以及相應(yīng)的力矩變化規(guī)律；2）固定水平翼和拖曳體主體在迫沉襟翼轉(zhuǎn)角擺動(dòng)所產(chǎn)生的擺動(dòng)力矩作用下的水動(dòng)力學(xué)特征；3）迫沉襟翼、固定水平翼和拖曳體主體三者的動(dòng)力學(xué)特征關(guān)系。

2.1 迫沉襟翼、固定水平翼和拖曳體主體在拖曳作業(yè)中的水動(dòng)力特征

圖9 3 kn拖曳速度下迫沉襟翼受力Fig. 9 The force on the flaps forced at the towing speed of 3 kn

圖9給出了在拖曳速度為3 kn、迫沉襟翼的轉(zhuǎn)角以方程（7）所規(guī)定的正弦規(guī)律擺動(dòng)下迫沉襟翼所產(chǎn)生的誘導(dǎo)迫沉力、所受到的阻尼力；圖10給出了在迫沉襟翼所產(chǎn)生的誘導(dǎo)迫沉力驅(qū)動(dòng)下，固定水平翼所產(chǎn)生相應(yīng)的迫沉力和阻尼力；圖11給出了在這樣的迫沉襟翼擺動(dòng)下，迫沉襟翼和固定水平翼所產(chǎn)生的縱傾力矩。而圖12和圖13則給出了這些力矩的作用下，拖曳體整體的縱傾角時(shí)間歷程及其相對(duì)于拖曳纜上端拖曳點(diǎn)的縱蕩與垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程。

圖10 3 kn拖曳速度下固定水平翼受力Fig. 10 The force on the fixed horizontal wing at the towing speed of 3 kn

圖11 3 kn拖曳速度下迫沉襟翼和固定水平翼所受力矩Fig. 11 Torques to force down flaps and fixed horizontal wings at the drag speed of 3 kn

圖12 3 kn拖曳速度下拖曳體縱傾角Fig. 12 Inclination Angle of towed body at towing speed of 3 kn

對(duì)圖9～圖13的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出迫沉襟翼、固定水平翼和拖曳體之間存在著如下的一些動(dòng)力學(xué)關(guān)系：

圖13 3 kn拖曳速度下拖曳體體平移Fig. 13 The towed body shifts at the towed speed of 3 kn

1）迫沉襟翼、固定水平翼和拖曳體的力學(xué)與運(yùn)動(dòng)變化模態(tài)相同，它們的變化周期與迫沉襟翼轉(zhuǎn)角擺動(dòng)周期一致。從圖8～圖13的計(jì)算結(jié)果可以看到，迫沉襟翼、固定水平翼升力、阻尼力以及它們所產(chǎn)生相應(yīng)力矩的振蕩周期，拖曳體整體縱傾角、縱蕩與垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程的變化周期均為20 s。這一周期與方程（7）所設(shè)定的迫沉襟翼擺動(dòng)周期一致。

2）在本文所研究的拖曳體垂蕩及縱傾角擺動(dòng)控制中，首先控制迫沉襟翼轉(zhuǎn)角的改變使之對(duì)拖曳體產(chǎn)生一個(gè)縱傾力矩，以此誘導(dǎo)固定水平翼攻角的改變，依靠固定水平翼偏轉(zhuǎn)所提供的較大迫沉升力和縱傾力矩來(lái)操縱拖曳體垂蕩運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其深度控制。從圖9～圖11的計(jì)算結(jié)果可以看出，固定水平翼產(chǎn)生的迫沉升力約為迫沉襟翼所產(chǎn)生的迫沉升力的1倍；固定水平翼所產(chǎn)生的縱傾力矩約為迫沉襟翼所產(chǎn)生的縱傾力矩的3倍。而在這樣的垂蕩運(yùn)動(dòng)操縱過(guò)程中，兩者所受阻尼力的大小基本相同。圖9～圖11的計(jì)算結(jié)果表明，通過(guò)這樣一種以操縱迫沉襟翼轉(zhuǎn)角來(lái)誘導(dǎo)固定水平翼水動(dòng)力攻角改變的控制方式，可以用比較小的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)施對(duì)拖曳體的垂蕩運(yùn)動(dòng)操縱，這種操縱方式可以降低拖曳體深度控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。

3） 顯然，對(duì)于本文所研究的拖曳體，由于其整體結(jié)構(gòu)及操縱方式均沿縱剖面對(duì)稱(chēng)，在目前的這一控制運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，拖曳體所受的沿Y軸方向的側(cè)向力為0。

2.2 迫沉襟翼與固定水平翼之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系分析

圖14為拖曳速度在1.5～4.0 kn范圍內(nèi)迫沉襟翼產(chǎn)生的誘導(dǎo)迫沉力、所受到的阻尼力的最大幅值；圖15為在這樣的拖曳速度范圍內(nèi)，由迫沉襟翼所產(chǎn)生的誘導(dǎo)迫沉力驅(qū)動(dòng)下，固定水平翼所產(chǎn)生相應(yīng)的迫沉力和阻尼力最大幅值；圖16為迫沉水翼與固定水平翼2種翼型升阻比系數(shù)隨拖速變化圖；圖17為相應(yīng)的迫沉襟翼和固定水平翼所產(chǎn)生的縱傾力矩最大幅值。

對(duì)圖14～圖17的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)迫沉襟翼和固定水平翼之間的迫沉力與阻尼力分量有如下動(dòng)力學(xué)關(guān)系：

圖14 迫沉襟翼受力峰值隨拖速變化圖Fig. 14 Diagram of force peak value of forced flaps varying with towing speed

圖15 固定水平翼受力峰值隨拖速變化圖Fig. 15 Diagram of variation of force peak of fixed horizontal wing with towing speed

圖16 翼型升阻比隨拖速變化圖Fig. 16 Diagram of airfoil lift-drag ratio varying with towing speed

1）在所計(jì)算的拖速范圍內(nèi)，迫沉襟翼所產(chǎn)生的迫沉力小于它所受的阻尼力，其升阻比隨拖速變化較小且均小于1。

2） 固定水平翼的迫沉力最大幅值隨拖速的增大而顯著增大，而所受的阻尼力幅值隨拖速增大的幅度不明顯，其升阻比在大部分拖速范圍內(nèi)均大于1，升阻比在一定拖速范圍內(nèi)隨拖速的增大而逐漸增大。

圖17 迫沉襟翼和固定水平翼繞Y軸力矩峰值隨拖速變化圖Fig. 17 Diagram of the change of the Y-axis moment peak value with towing speed of the forced flaps and fixed horizontal wings

3）在所計(jì)算的拖速范圍內(nèi)，迫沉襟翼和固定水平翼所受到的阻尼力其量值大致相當(dāng)。但是，固定水平翼所產(chǎn)生的迫沉力以及由此而產(chǎn)生的縱傾力矩幅值則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于迫沉襟翼的相應(yīng)值。在4 kn的拖速條件下，固定水平翼的迫沉力與縱傾力矩分別為迫沉襟翼的4倍和7.5倍。

對(duì)上述動(dòng)力學(xué)關(guān)系計(jì)算結(jié)果的觀察說(shuō)明：采用本文所研究的拖曳體深度操縱方式，對(duì)拖曳體深度操縱產(chǎn)生控制力其實(shí)主要來(lái)自于固定水平翼，而迫沉襟翼所起的作用則在于誘導(dǎo)固定水平翼水動(dòng)力攻角改變，進(jìn)而使固定水平翼產(chǎn)生足夠大的迫沉力，從而達(dá)到提高拖曳體深度操縱效率的目的。

2.3 拖曳體整體動(dòng)力學(xué)關(guān)系特性分析

圖18～圖21給出了在拖曳體整體在迫沉襟翼轉(zhuǎn)角擺動(dòng)所產(chǎn)生的擺動(dòng)力矩作用下，拖曳體拖曳體平均深度、平均縱傾角、與拖點(diǎn)的水平和垂直距離與拖曳速度的關(guān)系。從這些結(jié)果中可以看出，隨著拖曳速度的增大，拖曳體的平均縱傾角減小，平均深度增大，平均水平距離減少。

為了分析圖18～圖21的原因，對(duì)特定拖曳速度下作用于拖曳體整體的水動(dòng)力載荷、拖曳體的重力與浮力以及拖纜張力，在固定坐標(biāo)系中分別按水平與垂直方向進(jìn)行分解（見(jiàn)圖22），其結(jié)果由表4給出?？芍a(chǎn)生所觀察到的這些現(xiàn)象其原因在于：在這些拖曳工況中，拖曳體整體所受到的水動(dòng)力（包括在水下所受到的浮力），其垂直分量為垂直向上的升力，當(dāng)拖曳速度增大時(shí)，拖曳體的平均縱傾角在減小，它所受到的垂直向上的升力也在降低。由于拖曳體本身的自重不會(huì)隨著拖曳工況的變化而改變，相應(yīng)地，拖曳體整體受豎直方向的迫沉力（水動(dòng)力與重力的差值）在增大，從而驅(qū)動(dòng)拖曳體往更大的深度迫沉。

圖18 拖曳體平均縱傾角隨拖速變化圖Fig. 18 Diagram of average longitudinal Angle of towed body changing with towing speed

圖19 拖曳體平均深度隨拖速變化圖Fig. 19 Average depth of towed body varies with towing speed

圖20 拖曳體合力隨拖速變化圖Fig. 20 Diagram of resultant force of towed body changing with towing speed

圖21 拖曳體與拖點(diǎn)距離隨拖速變化圖Fig. 21 Diagram of distance between towed body and towed point changing with towing speed

圖22 拖曳體受力分析圖Fig. 22 Force analysis diagram of towed body

拖曳體在所討論的拖曳工況中，拖曳體所受到的由拖曳體在水下運(yùn)動(dòng)中所受到的水動(dòng)力載荷、拖曳體本身的重力與浮力以及拖纜張力所構(gòu)成的力系達(dá)到了一種力學(xué)平衡狀態(tài)。從表4的計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于不同的拖曳速度，拖曳體在固定坐標(biāo)系下的水平與垂直方向各種分量的合力大致為0。

表4 拖曳體水平與垂直方向受力分量對(duì)比Tab. 4 Comparison between horizontal and vertical force components of towed body

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用CFD軟件STAR-CCM+，運(yùn)用重疊網(wǎng)格技術(shù)對(duì)迫沉襟翼在1.5～4.0 kn范圍內(nèi)進(jìn)行正弦擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)下，迫沉襟翼產(chǎn)生的誘導(dǎo)迫沉力、所受到的阻尼力；由迫沉襟翼所產(chǎn)生的誘導(dǎo)迫沉力驅(qū)動(dòng)下，固定水平翼所產(chǎn)生相應(yīng)的迫沉力和阻尼力；拖曳體在這樣的拖曳工況下所受到的水動(dòng)力載荷，所表現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)本文的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)拖曳體各組成部分有如下動(dòng)力學(xué)特征：

1）拖曳體各組成部分（迫沉襟翼、固定水平翼、拖曳體整體）的動(dòng)力學(xué)振蕩周期實(shí)際上是由迫沉襟翼的擺動(dòng)周期所誘導(dǎo)，它們的變化周期均與迫沉襟翼擺動(dòng)周期一致。

2）本文所研究的拖曳體的控制方式是，首先控制迫沉襟翼轉(zhuǎn)角的改變使之對(duì)拖曳體產(chǎn)生一個(gè)縱傾力矩，以此誘導(dǎo)固定水平翼攻角的改變，依靠固定水平翼偏轉(zhuǎn)所提供的較大迫沉升力和縱傾力矩來(lái)操縱拖曳體的升沉運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其深度控制。這一控制方式的優(yōu)勢(shì)是可以用比較小的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)施對(duì)拖曳體的升沉運(yùn)動(dòng)操縱，從而降低拖曳體深度控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。

3）拖曳體在其水下拖曳作業(yè)過(guò)程中所受到的水動(dòng)力載荷、拖纜對(duì)其所施加的張力，以及拖曳體本身的重力與浮力構(gòu)成了一種力學(xué)平衡狀態(tài)，拖曳體所受到的合力在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中一般都大致為0。