水下系留平臺擾動運動建模與仿真

劉傳龍, 袁緒龍, 張宇文

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水下系留平臺擾動運動建模與仿真

劉傳龍, 袁緒龍, 張宇文

(西北工業大學航海學院, 陜西西安, 710072)

水下系留平臺廣泛應用于浮標、潛標等水文監測設備以及錨雷等水下作戰平臺, 會受到海流作用而發生偏降、擺動和其他準周期性擾動運動, 給所搭載的儀器設備或武器系統初始對準帶來不利影響。本文以一種典型的水下系留平臺為研究對象, 建立了3自由度動力學模型, 通過數學仿真研究了穩定海流作用下平臺的平衡特性, 以及擾動海流作用下平臺的擾動運動特性, 分析了平臺總體參數、系留參數對擾動運動穩定性的影響規律, 提出了減小擾動運動幅度, 提高平臺穩定性的措施。

水下系留平臺; 擾動運動; 動力學模型; 仿真

0 引言

為了滿足對能源日益增長的需求, 人類一直在搜尋各種新能源, 海洋作為世界上最大的資源寶地, 蘊藏著極其豐富的礦物資源和油氣資源, 將是人類未來生存和發展所必需資源的主要提供者。海流能作為海洋能的重要組成部分, 越來越多地受到世界各國新能源開發的關注。最新的海流發電思路是將發電裝置錨泊于一定水深處, 并且在同一錨泊系統不同深度設置多個海流發電裝置, 該系留平臺如圖1所示, 這種方案可以很好地解決發電裝置抗海底淤泥差和海底流速低等問題, 但該種方案系統的系留穩定性問題還有待深入研究。操盛文等研究了影響海洋潛標系統偏降的因素, 劉愉強等對單點系留式的潛標系統進行了靜力學分析和姿態角計算, 對系留系統的動力學特性以及在擾動海流作用下的運動響應特性并未研究。基于此, 本文建立了該系統的3自由度動力學模型, 利用計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)軟件計算平臺的流體動力系數, 結合錨索的2D數學模型, 采用MATLAB仿真方法解算出平臺和錨索在擾動海流作用下的姿態變化以及平臺偏降情況, 提出了改善系留平臺穩定性的措施, 可供水下系留平臺以及海流發電系統的設計研究參考。

1 水下系留平臺3自由度動力學模型

為簡化問題, 假設錨定力足夠大, 不會發生走錨狀況, 暫不考慮每一段錨索上的流體阻力。

1.1 坐標系的選取及角度的定義

如圖1所示, 定義地面坐標系和平臺體坐標系來描述平臺的運動。地面坐標系原點于錨系點,軸指向初始來流方向,軸指向正上方,軸按右手定則確定。平臺體軸系原點位平臺形心所在橫截面中心,軸與平臺對稱軸重合指向頭部,軸位于縱平面內并垂直于軸,軸按右手定則確定。

圖1 水下系留平臺示意圖

Fig. 1 Schematic of submerged mooring platform

1.2 動力學方程組

理論上, 平臺在穩定來流作用下, 在流體動力、自身重力、浮力、下端錨索拉力和上端錨索拉力的作用下達到平衡。考慮系統的慣性, 可建立描述系統在平衡狀態附近擾動運動的動力學方程組

(2)

2 仿真算例

2.1 穩定海流下系統動態變化過程

首先給出在來流穩定以及相應參數確定的情況下, 系統從豎直狀態向平衡狀態運動, 在海流作用下偏降、偏轉、振蕩并逐漸達到平衡的仿真計算過程。平臺參數如表1所示, 仿真結果如圖2和圖3所示。

表1 平臺參數

可見, 在海流作用下, 系統從初始位置變化到平衡位置。在這一過程中平臺自身的姿態角經過劇烈的振蕩最終趨于平衡值, 纜繩轉角和平臺偏降則平緩變化到平衡位置。

2.2 擾動海流下系統響應與抑制

圖2 平臺的偏降

圖3 系統姿態角

圖4 擾動幅度對平臺偏降的影響

圖5 擾動幅度對系統姿態角的影響

圖6 擾動周期對平臺偏降的影響

由上圖可以看出: 1) 系留平臺與擾動輸入為同周期響應; 2) 隨著擾動幅度的增加, 系統姿態角和平臺偏降的響應幅度都相應增加; 3) 隨著擾動周期的增加, 系統姿態角和平臺偏降的響應幅度都相應增加。

表2 系留點位置對系統響應幅度的影響

表3 上端拉力對系統響應幅度的影響

表4 平臺質量對系統響應幅度的影響

由表2、表3和表4可以看出: 1) 在其他系留平臺參數一定時, 平臺俯仰角響應幅度隨系留點位置變化有一最小值, 隨上端拉力增大而增大, 隨平臺質量增加而減小; 2) 平臺橫滾角響應幅度隨上端拉力增加而減小, 隨平臺質量增加而減小; 3) 平臺位置下降響應幅度隨上端拉力增加而減小, 隨平臺質量增加而增加; 4) 其他系統參數響應幅度隨系留點位置、上端拉力和平臺質量變化改變很小。

3 結論

本文基于一種典型的水下系留平臺, 建立了3自由度動力學模型, 給出了模型在穩定海流作用下從初始位置到平衡位置的動態變化過程。在擾動流作用下, 對該模型進行數值仿真研究, 得出以下結論。

1) 系留平臺與擾動輸入為同周期響應;

2) 系統響應同擾動幅度和擾動周期呈線性增加關系;

3) 在速度擾動參數不變的情況下, 系留點位置、上端拉力和平臺質量對平臺俯仰角的響應幅度有顯著影響, 對纜繩轉角的影響很小;

4) 系留點位置變化對平臺俯仰角響應幅度的影響關系呈V字形曲線, 存在一個最佳位置使得平臺俯仰角擾動幅度最小, 其他系統參數響應幅度隨系留點位置變化改變很小;

5) 隨著上端拉力的增加, 平臺俯仰角的響應幅度增加, 橫滾角響應幅度減小, 平臺位置下降響應幅度減小;

6) 隨著平臺質量的增加, 平臺俯仰角和橫滾角的響應幅度減小, 平臺位置下降響應幅度增加。

7) 基于此, 為減小系統響應幅度, 需適當選取系留點位置, 減小上端拉力, 增加平臺質量。

[1] 田應元, 張云海, 任翀. 海流發電發展方向及技術路線思考[J]. 能源工程, 2010(1): 9-14.Tian Ying-yuan, Zhang Yun-hai, Ren Chong. Research on the Trend and Technical Line of Marine Current Generation[J]. Energy Engineering, 2010(1): 9-14.

[2] 操盛文, 閔強利. 海洋潛標錨泊系統數值計算分析[J]. 水雷戰與艦船防護, 2009, 17(1): 27-30.Cao Sheng-wen, Min Qiang-li. Numerical Calculation Analysis of Ocean Submersible Buoy Mooring System[J]. Mine Warfare & Ship Self-Defence, 2009, 17(1): 27-30.

[3] 劉愉強, 盛巖峰, 王俊勤, 等. 潛標系統靜態力學分析計算及其應用程序開發[J]. 海洋技術, 2010, 29 (3): 34-37.Liu Yu-qiang, Sheng Yan-feng, Wang Jun-qin, et al. Static Analysis and Attitude Calculation of Marine Submersible Buoy System and Its Application Development[J]. Ocean Technology, 2010, 29(3): 34-37.

[4] 張宇文. 魚雷彈道與彈道設計[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1999.

(責任編輯: 陳 曦)

Modeling and Simulation of Disturbance Motion for Submerged Mooring Platform

LIU Chuan-long, YUAN Xu-long, ZHAHG Yu-wen

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Submerged mooring platform is widely applied to hydrological monitoring devices such as buoy and subsurface buoy, and to underwater battle platform such as moorage mine. The platform will drift, descend, pitch and yaw, or even perform a complicated cycling motion to influence the initial calibration of the carried devices. In this paper, a typical submerged moorage platform is studied by dynamic modeling and simulation. A three-dimensional equation of motion is established to analyze the balance and disturbed motion of the horizontal submerged platform attached by fork connection. The effects of system parameters and mooring parameters on the stability of disturbed motion are analyzed via simulation, and some methods for improving the stability of the platform are presented.

submerged mooring platform; disturbed motion; dynamic model; simulation

TJ630.1

A

1673-1948(2012)06-0407-04

2011-12-12;

2012-03-10.

劉傳龍(1988-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為武器總體設計技術.