負(fù)浮力

潛水器水下拖帶航行運動響應(yīng)數(shù)值計算與性能分析

劉艷敏;馬向能;邢福;劉見德

【摘要】基于三維勢流理論,采用多體水動力學(xué)分析技術(shù),使用典型的格林函數(shù)法求

解波浪力,對耦合拖纜的潛水器水下拖帶航行進(jìn)行頻域與時域數(shù)值模擬計算,分析波

浪周期、浪向角、拖纜形態(tài)、拖纜長度等因素對水下拖航過程中潛水器拖纜張力,

以及縱搖、橫搖、橫蕩等運動響應(yīng)的影響,為潛水器水下拖航系統(tǒng)設(shè)計提供參考.

【期刊名稱】《船海工程》

【年(卷),期】2018(047)005

【總頁數(shù)】6頁(P154-159)

【關(guān)鍵詞】潛水器;水下拖航;拖纜張力;運動響應(yīng)

【作者】劉艷敏;馬向能;邢福;劉見德

【作者單位】中國船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國家重點實驗室,江蘇無

錫,214082;中國船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國家重點實驗室,江蘇無錫,214082;

中國船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國家重點實驗室,江蘇無錫,214082;中國船舶

科學(xué)研究中心深海載人裝備國家重點實驗室,江蘇無錫,214082

【正文語種】中文

【中圖分類】U674.7

拖帶航行是潛水器海上航渡的主要方式之一。潛水器需要通過拖帶航行由港口或岸

基碼頭，航渡至指定作業(yè)海域；突然發(fā)生故障時，也需要通過拖帶航行運輸?shù)桨踩?/p>

海域。潛水器的拖帶航渡可分為水面拖帶與水下拖帶兩種方式。水下拖帶較之于水

面拖帶能夠更好地規(guī)避風(fēng)浪條件對潛器運動響應(yīng)的影響，同時也更具拖航隱蔽性，

是潛水器主要的拖帶航渡方式。

相關(guān)的研究工作有運用線性理論研究拖航，分析拖纜彈性、拖纜形態(tài)、拖纜質(zhì)量、

拖帶點位置、拖纜長度等參數(shù)對拖航系統(tǒng)航向穩(wěn)定性的影響，并提出拖航穩(wěn)定性參

數(shù)[1-3]。運用非線性理論，可對耦合拖船與被拖船的平穩(wěn)轉(zhuǎn)向運動進(jìn)行時域分析，

同時在廣島大學(xué)拖曳水池開展試驗測試對數(shù)值方法進(jìn)行了驗證[4-5]?；诖安?/p>

縱性運動方程和拖纜的三維動力學(xué)運動方程提出的被拖帶船舶拖點位置匹配的方法

[6-8]，可用來考察被拖船航向穩(wěn)定性與橫向穩(wěn)性的關(guān)系以及波浪載荷作用的影響，

討論拖點位置、拖纜長度、拖帶航速對拖帶航向穩(wěn)定性的影響。將由模型試驗測得

的水動力加入到操縱性方程中，假定拖纜為剛性，數(shù)值計算平載狀態(tài)與艏艉存在吃

水差狀態(tài)的拖航系統(tǒng)的航向穩(wěn)定性，研究舵控系統(tǒng)對拖航系統(tǒng)操控的影響，結(jié)果表

明用電流舵可以使拖航系統(tǒng)在沒有大橫蕩及大艏搖的情況下保持航向穩(wěn)定性[9-10]。

采用操縱運動MMG模型，引入風(fēng)、浪、流干擾子模塊，進(jìn)行“拖輪-拖纜-失控

船”拖帶系統(tǒng)動力學(xué)數(shù)值仿真計算，可分析風(fēng)、浪、流對拖航運動的影響[11]。這

些計算分析的對象均為水面船舶拖航，關(guān)于水下潛器拖航的研究未見報道。為此，

考慮對潛水器水下拖帶航行進(jìn)行數(shù)值仿真計算，探討波浪周期、浪向角、拖纜形態(tài)、

拖纜長度等因素對水下拖航潛水器拖纜張力以及運動響應(yīng)的影響，為潛水器水下拖

航系統(tǒng)的設(shè)計提供數(shù)值參考與技術(shù)支撐。

1理論基礎(chǔ)

潛器在波浪中的頻域運動方程為

[-ω2(Ms+Ma(ω))-iωC+K]X(ω)=F(ω)

(1)

式中：Ms為結(jié)構(gòu)質(zhì)量；Ma為附加質(zhì)量；C為輻射阻尼；K為靜水力剛度；F(ω)

為波浪力，包括入射波浪力(Froude-Krylov力)和繞射波浪力；ω為入射波頻率；

X(ω)為潛器在波浪中的響應(yīng)。

入射波浪力FI、繞射波浪力Fd分別如下。

(2)

(3)

式中：φI為入射波速度勢，φd為繞射波速度勢。

假設(shè)流體無旋、不可壓縮，無黏性，則速度勢能的控制方程為

▽2φ=0

(4)

輻射條件為

(5)

式中：φI為入射波速度勢；φd為繞射波速度勢；φj(j=1,2,，6)為6個自由度的輻

射波速度勢，xj(j=1,2,，6)為單位波幅下6個自由度結(jié)構(gòu)的運動。

對于有限水深d，入射波勢能為

(6)

式中：k為波數(shù)，ζ為入射波幅。

使用脈沖源分布求繞射和輻射波勢能如下。

?sσG(x,y,z,ξ,η,ζ)ds

(7)

式中：σ為輻射體強(qiáng)度；S為入水結(jié)構(gòu)面；x、y、z為流域中域點的坐標(biāo)；ζ、η、

ζ為S上源點坐標(biāo)；G為格林函數(shù)。

潛器在波浪中的時域運動方程為

(8)

式中：F(t)為作用在潛器上的總力，包括入射力、繞射力、輻射力、纜索張力、漂

移力、阻力等。

2水下拖航計算模型

水下拖帶航行數(shù)值計算模型見圖1，水面拖帶母船與被拖潛器之間的水平距離為

300m；潛器拖帶潛深為30m，即潛器圍殼頂部至水面垂直距離為30m。分別

在水面拖帶母船艉部與被拖潛器艏部采用單點系固拖帶的方式，母船系固點位于船

艉甲板處，潛器端系固點位于船艏水線位置。計算拖帶航速為6kn。

圖1水下拖帶航行系統(tǒng)

計算有義波高取5級海況上限4m，平均波浪周期取4.0、6.0、7.5、9.5、12.0、

14.0、16.0s。暫不考慮風(fēng)和流的影響，浪向取0°(隨浪)、60°(艏斜浪)、90°(橫

浪)、180°(迎浪)。

為比較拖纜形態(tài)對潛器水下拖帶航行運動性能的影響，考慮2種不同拖纜形態(tài)，

拖纜形態(tài)1為懸垂拖纜，拖航系統(tǒng)穩(wěn)定后的形態(tài)見圖2；拖纜形態(tài)2為微負(fù)浮力

拖纜，拖航系統(tǒng)穩(wěn)定后的形態(tài)見圖3。兩種工況對應(yīng)的拖纜參數(shù)見表1(纜繩直徑

43mm，彈性橫量150GPa)。分別對305m懸垂拖纜和350m懸垂拖纜進(jìn)行計

算。

圖2懸垂拖纜

圖3微負(fù)浮力拖纜表1拖纜參數(shù)

線密度/(kg·m-1)懸垂拖纜7.2微負(fù)浮力拖纜1.5體密度/(g·cm-3)懸垂拖纜4.8微

負(fù)浮力拖纜1.035

3運動響應(yīng)計算與性能分析

采用AQWA-LINE和AQWA-DRIFT模塊進(jìn)行潛器水下拖帶航行運動響應(yīng)計算。

計算中采取以下基本假設(shè)：①將母船除航行方向外的其他5個方向上的運動自由

度進(jìn)行限制，忽略其對拖航系統(tǒng)運動性能的影響；②認(rèn)為潛水器在水下可嚴(yán)格保持

定深航行，即對潛水器沿水深方向的垂向運動進(jìn)行約束；③假設(shè)拖航初始狀態(tài)水面

母船與水下潛器的航速均為6kn，并且水面母船始終以6kn航速勻速拖帶潛器航

行。

不同拖纜長度、不同拖纜形態(tài)，各計算浪向及波浪平均周期下的拖纜張力及運動位

移響應(yīng)計算值的最大值匯總見表2。

3.1波浪條件對水下拖航性能的影響

對比不同波浪條件下懸垂拖纜與微負(fù)浮力拖纜2種計算工況對應(yīng)的潛器端拖纜張

力見圖4、5：

①0°、60°、180°浪向角下拖纜張力大小受波浪周期變化的影響較大，整體趨勢上

拖纜張力隨波浪周期的增大而增加；而90°浪向下拖纜張力大小受波浪周期的影響

很小，隨波浪周期的增大，拖纜張力基本無變化。

②同一波浪周期下拖纜張力大小受浪向角變化的影響較大，潛器端拖纜張力從大到

小對應(yīng)的浪向依次是：0°、180°、60°、90°，因此從減小拖纜張力的角度考慮，

0°(順浪)是水下拖航最不利浪向，90°(橫浪)是水下拖帶航行最有力。

表2不同工況拖纜張力及運動響應(yīng)計算結(jié)果計算項懸垂拖纜(305m)計算最大值

/kN波浪平均周期/s對應(yīng)浪向角/(°)懸垂拖纜(350m)計算最大值/kN波浪平均周

期/s對應(yīng)浪向角/(°)微負(fù)浮力拖纜(305m)計算最大值/kN波浪平均周期/s對應(yīng)浪

向角/(°)母船端拖纜張力最大值/kN666.8140435.5160943.412180潛器端拖纜張

力最大值/kN665.7140431.7160942.212180縱搖單幅有義值

/(°)2.101401.861402.66120橫搖單幅有義值/(°)3.2212903.261205.07120橫蕩

單幅有義值/m1.5016901.52169011.1120

圖4不同波浪條件下懸垂拖纜張力最大值

圖5不同波浪條件下微負(fù)浮力拖纜張力最大值

對比350m懸垂拖纜在不同波浪條件下的縱搖、橫搖、艏搖、橫蕩單幅有義值見

圖6～9。

各浪向下(0°、60°、90°、180°)，縱搖單幅有義值隨波浪周期的增大而增大；縱搖

單幅有義值從大到小的浪向依次是：0°、180°、60°、90°。

60°、90°浪向下的橫搖單幅有義值隨波浪周期的增加呈先增大后減小的趨勢，在

波浪平均特征周期9.5s之前，60°浪向?qū)?yīng)的橫搖單幅有義值較大；在波浪平均

特征周期9.5s之后，90°浪向?qū)?yīng)的橫搖單幅有義值較大。

艏搖單幅有義值受波浪周期變化的影響并不明顯，從整體趨勢上來說，艏搖單幅有

義值從大到小的浪向依次是：60°、90°、0°、180°。

0°、180°浪向?qū)?yīng)的橫蕩單幅有義值量級很小，60°、90°浪向?qū)?yīng)的橫蕩單幅有

義值較之有顯著增加，在波浪周期7.5s之前，60°浪向?qū)?yīng)的橫蕩單幅有義值較

大；在波浪周期7.5s之后，90°浪向?qū)?yīng)的橫蕩單幅有義值較大。

圖6不同波浪條件下縱搖單幅有義值

圖7不同波浪條件下橫搖單幅有義值

圖8不同波浪條件下艏搖單幅有義值

圖9不同波浪條件下橫蕩單幅有義值

3.2拖纜形態(tài)對水下拖航行性能的影響

對比2種不同拖纜形態(tài)計算得到的潛器端拖纜張力見圖10。圖中catenary代表

懸垂拖纜，line代表微負(fù)浮力拖纜。

0°、60°、90°、180°各計算浪向下懸垂拖纜對應(yīng)的潛器拖纜張力均小于微負(fù)浮力

拖纜對應(yīng)的潛器拖纜張力。

浪向不同，兩種拖纜形態(tài)對應(yīng)的潛器拖纜張力相差幅度不盡相同，其中0°(順浪)下，

潛器拖纜張力受拖纜形態(tài)影響最大；90°(橫浪)下，潛器拖纜張力受拖纜形態(tài)影響

最小。

圖10拖纜形態(tài)對拖纜張力的影響

對比不同類型拖纜對應(yīng)的縱搖、橫搖、艏搖、橫蕩單幅有義計算值見圖11～14。

圖11不同拖纜形態(tài)對應(yīng)的縱搖單幅有義值

圖12不同拖纜形態(tài)對應(yīng)的橫搖單幅有義值

圖13不同拖纜形態(tài)對應(yīng)的艏搖單幅有義值

圖14不同拖纜形態(tài)對應(yīng)的橫蕩單幅有義值

拖纜形態(tài)對0°，60°，180°浪向下的縱搖、橫搖、艏搖、橫蕩單幅有義值均有不同

程度的影響，懸垂拖纜比微負(fù)浮力拖纜對應(yīng)的潛器運動位移響應(yīng)要小，其中艏搖角

度受拖纜形態(tài)的影響最大。

90°浪向下，拖纜形態(tài)對潛器運動位移響應(yīng)幾乎無影響。

3.3拖纜長度對水下拖航性能的影響

對比不同長度拖纜，即305m懸垂拖纜、350m懸垂拖纜對應(yīng)計算得到的拖纜張

力見圖15。

圖15拖纜長度對潛器端拖纜張力的影響

0°、60°、90°、180°各計算浪向下350m懸垂拖纜對應(yīng)的潛器端拖纜張力均小于

305m懸垂拖纜對應(yīng)的潛器端拖纜張力。

浪向不同，拖纜長度對應(yīng)的潛器端拖纜張力相差幅度不盡相同，其中0°(順浪)下，

潛器端拖纜張力受拖纜長度影響最大；90°(橫浪)下，潛器端拖纜張力受拖纜長度

影響最小。

對比不同長度懸垂拖纜對應(yīng)的縱搖、橫搖、艏搖、橫蕩單幅有義計算值見圖16～

19。

短波浪周期(小于7.5s)時，拖纜長度對各計算浪向下的縱搖單幅有義值影響很??；

長波浪周期(大于7.5s)時，0°、180°浪向下的縱搖單幅有義值隨拖纜長度的增加

而減??；60°、90°浪向下的縱搖單幅有義值隨拖纜長度的增加改變很小。

除0°浪向(順浪)下，拖纜長度對站體橫搖、艏搖、橫蕩運動單幅有義值影響很??；

0°浪向(順浪)下，站體橫搖、艏搖、橫蕩運動單幅有義值隨拖纜長度的增加而減小。

拖纜長度對站體運動位移響應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在順浪和迎浪工況下的縱搖上。

圖16不同拖纜長度對應(yīng)的縱搖單幅有義值

圖17不同拖纜長度對應(yīng)的橫搖單幅有義值

圖18不同拖纜長度對應(yīng)的艏搖單幅有義值

圖19不同拖纜長度對應(yīng)的橫蕩單幅有義值

3.4水下拖航過程中典型拖纜形態(tài)

在使用懸垂拖纜對潛器進(jìn)行水下拖帶航行時，拖纜形態(tài)主要表現(xiàn)為“時松時緊”的

周期性懸垂?fàn)顟B(tài)變化，其中幾個典型的拖纜形態(tài)見圖20。

圖20懸垂拖纜水下拖航典型拖纜形態(tài)

在使用微負(fù)浮力拖纜進(jìn)行水下拖帶航行時，拖纜形態(tài)主要表現(xiàn)為圍繞潛器艏部的不

斷“轉(zhuǎn)動”，其中幾個典型的拖纜形態(tài)見圖21。

圖21微負(fù)浮力拖纜水下拖航典型拖纜形態(tài)

4結(jié)論

1)懸垂拖纜對應(yīng)的拖纜張力及運動響應(yīng)均小于微負(fù)浮力拖纜。從減小拖纜張力與運

動響應(yīng)的角度考慮，在潛器水下拖帶航行過程中應(yīng)該盡量使拖纜保持一定的懸垂度。

2)潛器水下拖航應(yīng)盡量避開0°(順浪)工況，盡量選擇90°(橫浪)情況下進(jìn)行拖航。

3)拖纜長度對潛器運動位移響應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在順浪(0°)和迎浪(180°)工況下的

縱搖上，其響應(yīng)值隨拖纜長度的增加而減小。潛器水下拖航時，在可接受范圍內(nèi)，

可適當(dāng)放長拖纜。

4)相關(guān)計算結(jié)果可為潛水器水下拖航系統(tǒng)的設(shè)計提供數(shù)值參考，尤其是在拖纜形態(tài)

的選擇與保持上。但在計算中限制了母船除航向方向的運動，并且假設(shè)潛器始終嚴(yán)

格保持定深航行，這與實際拖航系統(tǒng)還存在一定的差異，需在下一步工作中進(jìn)行相

應(yīng)的研究。

參考文獻(xiàn)

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