水下系留平台扰动运动建模与仿真

刘传龙, 袁绪龙, 张宇文



水下系留平台扰动运动建模与仿真

刘传龙, 袁绪龙, 张宇文

(西北工业大学航海学院, 陕西西安, 710072)

水下系留平台广泛应用于浮标、潜标等水文监测设备以及锚雷等水下作战平台, 会受到海流作用而发生偏降、摆动和其他准周期性扰动运动, 给所搭载的仪器设备或武器系统初始对准带来不利影响。本文以一种典型的水下系留平台为研究对象, 建立了3自由度动力学模型, 通过数学仿真研究了稳定海流作用下平台的平衡特性, 以及扰动海流作用下平台的扰动运动特性, 分析了平台总体参数、系留参数对扰动运动稳定性的影响规律, 提出了减小扰动运动幅度, 提高平台稳定性的措施。

水下系留平台; 扰动运动; 动力学模型; 仿真

0 引言

为了满足对能源日益增长的需求, 人类一直在搜寻各种新能源, 海洋作为世界上最大的资源宝地, 蕴藏着极其丰富的矿物资源和油气资源, 将是人类未来生存和发展所必需资源的主要提供者。海流能作为海洋能的重要组成部分, 越来越多地受到世界各国新能源开发的关注。最新的海流发电思路是将发电装置锚泊于一定水深处, 并且在同一锚泊系统不同深度设置多个海流发电装置, 该系留平台如图1所示, 这种方案可以很好地解决发电装置抗海底淤泥差和海底流速低等问题, 但该种方案系统的系留稳定性问题还有待深入研究。操盛文等研究了影响海洋潜标系统偏降的因素, 刘愉强等对单点系留式的潜标系统进行了静力学分析和姿态角计算, 对系留系统的动力学特性以及在扰动海流作用下的运动响应特性并未研究。基于此, 本文建立了该系统的3自由度动力学模型, 利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)软件计算平台的流体动力系数, 结合锚索的2D数学模型, 采用MATLAB仿真方法解算出平台和锚索在扰动海流作用下的姿态变化以及平台偏降情况, 提出了改善系留平台稳定性的措施, 可供水下系留平台以及海流发电系统的设计研究参考。

1 水下系留平台3自由度动力学模型

为简化问题, 假设锚定力足够大, 不会发生走锚状况, 暂不考虑每一段锚索上的流体阻力。

1.1 坐标系的选取及角度的定义

如图1所示, 定义地面坐标系和平台体坐标系来描述平台的运动。地面坐标系原点于锚系点,轴指向初始来流方向,轴指向正上方,轴按右手定则确定。平台体轴系原点位平台形心所在横截面中心,轴与平台对称轴重合指向头部,轴位于纵平面内并垂直于轴,轴按右手定则确定。

图1 水下系留平台示意图

Fig. 1 Schematic of submerged mooring platform

1.2 动力学方程组

理论上, 平台在稳定来流作用下, 在流体动力、自身重力、浮力、下端锚索拉力和上端锚索拉力的作用下达到平衡。考虑系统的惯性, 可建立描述系统在平衡状态附近扰动运动的动力学方程组

(2)

2 仿真算例

2.1 稳定海流下系统动态变化过程

首先给出在来流稳定以及相应参数确定的情况下, 系统从竖直状态向平衡状态运动, 在海流作用下偏降、偏转、振荡并逐渐达到平衡的仿真计算过程。平台参数如表1所示, 仿真结果如图2和图3所示。

表1 平台参数

可见, 在海流作用下, 系统从初始位置变化到平衡位置。在这一过程中平台自身的姿态角经过剧烈的振荡最终趋于平衡值, 缆绳转角和平台偏降则平缓变化到平衡位置。

2.2 扰动海流下系统响应与抑制

图2 平台的偏降

图3 系统姿态角

图4 扰动幅度对平台偏降的影响

图5 扰动幅度对系统姿态角的影响

图6 扰动周期对平台偏降的影响

由上图可以看出: 1) 系留平台与扰动输入为同周期响应; 2) 随着扰动幅度的增加, 系统姿态角和平台偏降的响应幅度都相应增加; 3) 随着扰动周期的增加, 系统姿态角和平台偏降的响应幅度都相应增加。

表2 系留点位置对系统响应幅度的影响

表3 上端拉力对系统响应幅度的影响

表4 平台质量对系统响应幅度的影响

由表2、表3和表4可以看出: 1) 在其他系留平台参数一定时, 平台俯仰角响应幅度随系留点位置变化有一最小值, 随上端拉力增大而增大, 随平台质量增加而减小; 2) 平台横滚角响应幅度随上端拉力增加而减小, 随平台质量增加而减小; 3) 平台位置下降响应幅度随上端拉力增加而减小, 随平台质量增加而增加; 4) 其他系统参数响应幅度随系留点位置、上端拉力和平台质量变化改变很小。

3 结论

本文基于一种典型的水下系留平台, 建立了3自由度动力学模型, 给出了模型在稳定海流作用下从初始位置到平衡位置的动态变化过程。在扰动流作用下, 对该模型进行数值仿真研究, 得出以下结论。

1) 系留平台与扰动输入为同周期响应;

2) 系统响应同扰动幅度和扰动周期呈线性增加关系;

3) 在速度扰动参数不变的情况下, 系留点位置、上端拉力和平台质量对平台俯仰角的响应幅度有显著影响, 对缆绳转角的影响很小;

4) 系留点位置变化对平台俯仰角响应幅度的影响关系呈V字形曲线, 存在一个最佳位置使得平台俯仰角扰动幅度最小, 其他系统参数响应幅度随系留点位置变化改变很小;

5) 随着上端拉力的增加, 平台俯仰角的响应幅度增加, 横滚角响应幅度减小, 平台位置下降响应幅度减小;

6) 随着平台质量的增加, 平台俯仰角和横滚角的响应幅度减小, 平台位置下降响应幅度增加。

7) 基于此, 为减小系统响应幅度, 需适当选取系留点位置, 减小上端拉力, 增加平台质量。

[1] 田应元, 张云海, 任翀. 海流发电发展方向及技术路线思考[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, 闵强利. 海洋潜标锚泊系统数值计算分析[J]. 水雷战与舰船防护, 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] 刘愉强, 盛岩峰, 王俊勤, 等. 潜标系统静态力学分析计算及其应用程序开发[J]. 海洋技术, 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] 张宇文. 鱼雷弹道与弹道设计[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1999.

(责任编辑: 陈 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.

刘传龙(1988-), 男, 在读博士, 主要研究方向为武器总体设计技术.