不同蓋板高度對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）

運用STAR-CCM+軟件，對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行了數值模擬，得到其流場、壓力分布。研究結果表明，拖體產生偏角后，其水動力中心值隨著蓋板高度的增加而減小，拖體的穩定性隨著蓋板高度的增加而減弱；拖體產生攻角后，其水動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），拖體的穩定性隨著蓋板高度的增加而增強。拖體在穩定狀態時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，拖體入海的深度先增大后減小。蓋板高度a=60mm時，拖體的綜合性能最優。該項研究為拖體設計提供了一種有效方法。

蓋板高度，拖體，水動力，偏角，攻角，STAR-CCM+

隨著經濟的快速發展，陸地上可開采的資源逐漸減少，占地球表面積70.8%的海洋成為人們關注的重點。據統計，海洋蘊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備的拖體組成的水下探測系統是目前應用最為廣泛的海洋探測系統。拖體的水動力性能對拖曳系統的性能至關重要，而拖體結構又對拖體性能至關重要，因此，有必要研究拖體結構對拖體性能的影響。不同拖體結構在海洋中的性能研究主要分為試驗研究與數值模擬研究兩種類型，其中，數值模擬研究具有低成本、方便快捷等優點。在STARCCM+軟件中采用雷諾平均（RANS）方法和realizable模型數學算法對水下拖體進行仿真，能夠得到較為理想的結果[2]。本文采用SOLIDWORKS軟件設計拖體模型，采用STAR-CCM+軟件對不同蓋板高度拖體的水動力性能進行分析研究，以設計出合理的拖體結構。

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，拖體的總體積應得到保證，即所有拖體的包絡總體積應一致。如圖1所示，模型中拖體結構的總體積為234dm3，蓋板高度a分別取180mm、150mm、120mm、90mm、60mm、30mm、0mm，b對應變化。

1.2 流場建模

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

選取合適的坐標系，流域入口速度為4m/s（工作速度），拖體姿態為：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。網格由邊界層控制的自動網格生成，進行適當的加密及調整，并對其進行網格敏感性驗證。a=60mm的模型偏角為5°時的網格如圖2所示。

2 結果與討論

運用STAR-CCM+軟件對7種不同a值的模型在不同偏角及不同攻角下的流場進行數值模擬，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°時的壓力云圖。

對不同蓋板高度的拖體在不同工況時的受力進行分析，可以得到其相應的水動力中心值。在圖2坐標系中，水動力中心值大于0，說明水動力中心在拖點之后，拖體發生偏轉后，存在回復力矩使拖體恢復原態，且該值越大，拖體的回復趨勢越強。

對不同蓋板高度的拖體在不同偏角時的受力進行分析，得到各種模型在不同偏角時的水動力中心，如圖5所示。可以看出，隨著蓋板高度的增加，拖體的水動力中心減小，且蓋板高度為0、30mm、60mm的拖體水動力中心一直大于0，故拖體產生偏角后，其穩定性隨著蓋板高度的增加而降低，蓋板高度為0、30mm、60mm的拖體在產生偏角后，一直存在回復力矩使拖體恢復原態。

各種模型在不同攻角時的水動力中心如圖6所示。可以看出，在不同攻角下，隨著蓋板高度的增加，拖體的水動力中心增加（蓋板高度為0的拖體除外），且所有拖體的水動力中心均大于0。由于水動力中心值越大，拖體越穩定，故拖體產生攻角后，其穩定性隨著蓋板高度的增加而增加。

對綜合水動力中心進行分析可知，a分別為0、30mm、60mm的拖體模型較為合適。對不同蓋板高度的拖體模型在穩定狀態時（即偏角、攻角為0時）的升阻比（FL/FD）進行分析，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，說明拖體在穩定狀態時與托纜的夾角先增大后減小。放纜長度相同時，拖體入海深度先增大后減小，且蓋板高度a=0時，入海深度最小，蓋板高度a=60mm時，入海深度最大。雖然采用a=0模型在拖體產生偏角和攻角時最穩定，但其放纜成本最高。綜合考慮穩定性和成本因素，選用a=60mm模型。

3 結 論

本文運用STAR-CCM+軟件對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行數值模擬，得到了其流場、壓力分布。經過分析，可得出以下結論：

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

（2）拖體產生攻角后，拖體的水動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），拖體的穩定性隨著蓋板高度的增加而提高。

（3）拖體在穩定狀態時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，拖體入海深度先增大后減小，蓋板高度a=60mm時，距離達到最大。

（4）蓋板高度a=60mm的拖體綜合性能最優。

1 于華男. 開架式水下機器人辨識與控制技術研究[D].哈爾濱工程大學, 2003

2 趙林建, 陳小星. 基于STAR-CCM+的拖體水動力特性仿真計算[J]. 軍民兩用技術與產品, 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