高速大深度拖曳系統設計與試驗

陶光勇

(中科長城海洋信息系統有限公司， 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研究，高速大深度拖曳系統在海洋科考和漁業探測領域得到了廣泛應用[1]。該系統一般由收放裝置、拖纜和拖體組成，其中：拖體通常作為水下電子設備和傳感設備的載體，在拖曳過程中，其深度是關鍵的控制參數；拖纜作為連接拖體與收放裝置的傳輸介質，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。為使整個拖曳系統具有良好的水動力性能，需對拖體和拖纜的結構參數進行設計，對拖曳系統的張力進行分析和預估，以滿足高速拖曳下的大深度應用要求。

國內外學者已對拖曳系統進行一定的研究，例如：王志博[2]在功能、結構強度、抗腐蝕和測試性設計等方面對水下附體提出了需解決的問題；焦澤健[3]對拖體的安全性設計提出了解決措施；張大朋等[4]對300 m拖纜系統在低航速下的穩態拖曳進行了分析；王巖峰等[5]對9 kn航速內的拖曳系統進行了設計和試驗驗證；朱克強[6]對不同截面纜的阻力系數進行了分析，并對100 m的拖纜系統在低航速下的穩態拖曳進行了計算；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的設計參考，但都以中小尺度和面向中低航速應用為主，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設計研究，本文基于Fluent軟件對高速大深度拖曳系統的迎流線型和結構工藝進行綜合設計，并對其進行力學分析。基于分析模型計算典型航速下的拖體下沉深度，并通過實際測試驗證設計結果滿足使用要求。

1 拖曳系統設計

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

圖1 拖曳系統組成

拖體內置有電子設備和傳感設備，用于觀測海洋環境和采集信號，拖纜為集信號傳輸和力學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，需減小拖曳系統的阻力。拖曳系統的減阻設計包括拖體的外形設計和拖纜的纜形設計，這2個因素直接影響拖曳過程中系統的水阻特性。為獲得較好的流體外形，結合拖體內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，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。為保證安裝空間最大化,設置迎流段為半橢圓：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。為保證控制區域的大小對數值模擬結果的影響最小，需使控制區域足夠大，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和切向阻力系數變化曲線。由圖3可知：切向阻力系數比壓差阻力系數小很多，最大僅為壓差阻力系數的3.5%；當短軸半徑為150 mm時，拖體的壓差阻力系數為0.585，切向阻力系數為0.003；當短軸半徑增加到200 mm時，拖體的壓差阻力系數為0.423,切向阻力系數為0.005；當短軸半徑增加到250 mm時，拖體的壓差阻力系數為0.244，切向阻力系數為0.007；當短軸半徑增加到300 mm時，拖體的壓差阻力系數為0.229,切向阻力系數為0.008。隨著短軸半徑的增加，拖體的壓差阻力系數逐漸減小，在短軸半徑大于250 mm之后趨于穩定；拖體的切向阻力系數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

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，來流經過拖體迎流面之后沿上、下兩側分流，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，切向阻力系數相比壓差阻力系數基本上可忽略不計，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

根據迎流段不同線型仿真對比結果，結合空間優勢，選擇短軸半徑為250 mm作為拖體的迎流面曲線。

拖纜用于進行力學承重和信號傳輸，滿足反復收放使用要求。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，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仿真結果見圖6和圖7。當采用圓形截面裸纜拖曳時，在裸纜的背流面形成若干渦流，其阻力系數為1.27；當采用流線型拖纜拖曳時，在拖纜的兩邊形成對稱流場，其阻力系數降低至0.26。由此可見，帶導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，經過線型優化，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仿真結果

2 拖曳系統力學分析

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為負值，則纜繩的浮力為負。取拖纜的微元段進行力學分析，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;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。

(5)

式(5)中：Re為海流雷諾數。

(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，可根據式(3)和式(4)計算；FD2為拖體在水中的阻力，可根據阻力定律計算。阻力定律的表達式為

(16)

式(16)中：An為拖纜的橫截面積。計算時拖體阻力系數CD取仿真結果值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，其表達式為

(17)

根據式(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Cn取仿真結果0.26，海水密度ρ取1 030 kg/m3，水的運動黏度取20 ℃時海水的數據γ=1.056 5×10-6m2/s。

3 拖曳系統纜深計算

根據拖曳系統的主要應用場合，分別對入水長度為50 m、100 m、150 m、200 m、250 m和300 m時系統下沉深度值進行計算，結果見表1。

表1 不同纜長、不同航速下拖曳系統下沉深度值計算結果

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;當入水長度為50 m、航速為3 kn時，拖纜的阻力為3 937 N;當入水長度為300 m、航速為3 kn時，拖纜的阻力為7 952 N；當入水長度為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，拖體下沉深度減小；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，測試結果見表2。

表2 中低航速下拖體下沉深度的測試結果

從表2可看出，設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，8 kn和9 kn航速下差值在8%以內。由于設計計算時未考慮海流的疊加影響，而實際海試時存在海流，因此數值出現了偏差。

5 結 語

為滿足高速大深度拖曳的應用需求，本文對拖曳系統設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化，拖體的阻力系數達到了0.24，拖纜的阻力系數達到了0.26。對拖曳系統進行了水動力學分析，基于分析模型對6組纜長和16組航速進行了分析，得到了各種應用工況下的拖纜張力、入水角、滯后距離和下沉深度，實現了航速為15 kn時深度不小于100 m的應用要求。通過對數據進行對比分析得知，拖體阻力遠小于拖纜阻力。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化設計。本文的拖曳系統設計和分析方法對同類產品的設計具有較好的工程指導價值。