高速大深度拖曳系统设计与试验

陶光勇

(中科长城海洋信息系统有限公司， 湖南 长沙 410100)

0 引 言

近年来，为快速地开展大范围的海洋科学研究，高速大深度拖曳系统在海洋科考和渔业探测领域得到了广泛应用[1]。该系统一般由收放装置、拖缆和拖体组成，其中：拖体通常作为水下电子设备和传感设备的载体，在拖曳过程中，其深度是关键的控制参数；拖缆作为连接拖体与收放装置的传输介质，在航速和长度一定的情况下，其张力对拖体深度有着重要的影响。为使整个拖曳系统具有良好的水动力性能，需对拖体和拖缆的结构参数进行设计，对拖曳系统的张力进行分析和预估，以满足高速拖曳下的大深度应用要求。

国内外学者已对拖曳系统进行一定的研究，例如：王志博[2]在功能、结构强度、抗腐蚀和测试性设计等方面对水下附体提出了需解决的问题；焦泽健[3]对拖体的安全性设计提出了解决措施；张大朋等[4]对300 m拖缆系统在低航速下的稳态拖曳进行了分析；王岩峰等[5]对9 kn航速内的拖曳系统进行了设计和试验验证；朱克强[6]对不同截面缆的阻力系数进行了分析，并对100 m的拖缆系统在低航速下的稳态拖曳进行了计算；肖华攀等[7]对3种线型拖体的流阻特性进行了分析；李志印等[8]对水下拖体的仿真方法进行了对比。这些研究可供拖曳系统的设计参考，但都以中小尺度和面向中低航速应用为主，且主要开展的是单个组成部分的分析研究，很少系统地开展航速大于10 kn(甚至大于15 kn)的高速大深度拖曳系统设计研究，本文基于Fluent软件对高速大深度拖曳系统的迎流线型和结构工艺进行综合设计，并对其进行力学分析。基于分析模型计算典型航速下的拖体下沉深度，并通过实际测试验证设计结果满足使用要求。

1 拖曳系统设计

某海洋科考拖曳系统拟实现在缆长不超过300 m、航速为15 kn时下沉深度不小于100 m，系统由拖体、拖缆和收放装置组成(见图1)。

图1 拖曳系统组成

拖体内置有电子设备和传感设备，用于观测海洋环境和采集信号，拖缆为集信号传输和力学承重功能于一体的轻型铠装缆，初始段缠绕在收放装置上，末端连接拖体，在绞车的驱动下对拖体进行自由收放。

在航速和缆长一定的情况下，根据系泊水下浮筒缆索分析[9],为获得较大的下沉深度，需减小拖曳系统的阻力。拖曳系统的减阻设计包括拖体的外形设计和拖缆的缆形设计，这2个因素直接影响拖曳过程中系统的水阻特性。为获得较好的流体外形，结合拖体内置单元的布局尺寸要求，对拖体外形的几种线型组合进行优化比对。拖体的约束条件为总长不超过2 000 mm，总高不超过600 mm，考虑到艉部平衡翼尺寸，主体尺寸限定在1 400 mm范围内，主体尺寸由迎流段、水平过渡段和艉部顺流段组成。为获得较好的阻力特性，基于Fluent对迎流段为半椭圆、长短轴尺寸不同的线型进行仿真，计算拖体的阻力系数。为保证安装空间最大化,设置迎流段为半椭圆：长轴指向竖直方向，半径为300 mm；短轴指向水平方向，半径分别为150 mm、200 mm、250 mm和300 mm；水平过渡段的长度固定为800 mm。为保证控制区域的大小对数值模拟结果的影响最小，需使控制区域足够大，拖体仿真分析模型见图2。

图2 拖体仿真分析模型

图3为不同线型下拖体的压差阻力系数和切向阻力系数变化曲线。由图3可知：切向阻力系数比压差阻力系数小很多，最大仅为压差阻力系数的3.5%；当短轴半径为150 mm时，拖体的压差阻力系数为0.585，切向阻力系数为0.003；当短轴半径增加到200 mm时，拖体的压差阻力系数为0.423,切向阻力系数为0.005；当短轴半径增加到250 mm时，拖体的压差阻力系数为0.244，切向阻力系数为0.007；当短轴半径增加到300 mm时，拖体的压差阻力系数为0.229,切向阻力系数为0.008。随着短轴半径的增加，拖体的压差阻力系数逐渐减小，在短轴半径大于250 mm之后趋于稳定；拖体的切向阻力系数随着短轴半径的增加而逐渐增大，这是由于随着短轴半径的增加，迎流面与过渡段的过渡曲率变小，迎流的冲击减小，过渡引流作用得到增强。

a) 压差阻力系数

不同线型下的流速分布云图见图4，由于拖体是对称分布的，来流经过拖体迎流面之后沿上、下两侧分流，流速相对中心增加接近1倍，流场基本上是对称分布的，随着短轴半径的增加，分流之后的最高流速点位置逐渐向中心靠拢，切向阻力系数相比压差阻力系数基本上可忽略不计，流体阻力基本上由压差阻力组成，阻力系数的仿真值与文献[9]的推荐范围0.21～0.60吻合。

a) 短轴半径150 mm

根据迎流段不同线型仿真对比结果，结合空间优势，选择短轴半径为250 mm作为拖体的迎流面曲线。

拖缆用于进行力学承重和信号传输，满足反复收放使用要求。为减小拖缆阻力，拟在拖缆上安装流线型单元改变拖缆的流场；考虑到便于加工和快速更换维护，该单元的线型采用半椭圆加直线的方式，其中,迎流端面为椭圆，顺流段为直线，见图5。

a) 左视图

为比较圆形截面裸缆与流线型缆的阻力系数，本文基于Fluent对流线型拖缆和圆柱型拖缆进行仿真分析，仿真模型和阻力系数仿真结果见图6和图7。当采用圆形截面裸缆拖曳时，在裸缆的背流面形成若干涡流，其阻力系数为1.27；当采用流线型拖缆拖曳时，在拖缆的两边形成对称流场，其阻力系数降低至0.26。由此可见，带导流套的流线型拖缆相比裸缆，其流体阻力性能得到了显著改善，经过线型优化，椭圆的短轴半径为14 mm，长轴半径为25 mm。

图7 流线型拖缆仿真模型和阻力系数仿真结果

2 拖曳系统力学分析

拖曳模型由拖缆和拖体组成，以拖缆与拖船的连接点O为原点，下沉方向为z轴方向，滞后方向为x轴方向。当只考虑二维共面的水流时，缆绳在水中的重量WI可定义为

WI=Fb-W

(1)

式(1)中：Fb为缆绳的浮力；W为缆绳的重量。若WI为正值，则缆绳的浮力为正；若WI为负值，则缆绳的浮力为负。取拖缆的微元段进行力学分析，水流引起的水动力[10]可表示为

(2)

式(2)中：Cn为垂向(法向)阻力系数;ρ为海水密度；D为拖缆直径；U为拖绳拖动速度；ds为微元段长度。

当缆绳与水流的水平方向成角度φ时，阻力就可表示为2个分量，即缆绳的垂向分量和缆绳的切向分量。垂向分量和切向分量可分别表示为

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Cf为切向阻力系数。

(5)

式(5)中：Re为海流雷诺数。

(6)

式(6)中：v为航速;γ为液体运动黏度。

由法向力与切向力的矢量和可得到缆绳平衡方程为

Tdφ=(FD+WIcosφ)ds

(7)

dT=(WIsinφ-FT)ds

(8)

则将上述方程简化后积分可得

(9)

(10)

(11)

式(9)～式(11)中:T0为原点处的张力；s为从原点开始的缆绳长度；x和z分别为沿着角度为φ的缆绳距离原点的缆长s上任意一点的坐标值。

绳索张力可分为水平张力TH和垂直张力TV，合张力为

(12)

绳索与水平方向的夹角可表示为

(13)

原点处的垂直张力TV可近似等于缆绳重量与拖体重量之和，即

TV=m1g+m2g

(14)

式(14)中：m1g为缆绳在水中的重量；m2g为拖体在水中的重量。

原点处的水平张力TH可近似等于拖体阻力与拖缆阻力之和，即

TH=FD1+FD2

(15)

式(15)中：FD1为拖缆在水中的阻力，可根据式(3)和式(4)计算；FD2为拖体在水中的阻力，可根据阻力定律计算。阻力定律的表达式为

(16)

式(16)中：An为拖缆的横截面积。计算时拖体阻力系数CD取仿真结果值0.244。

在首次计算拖缆在水中的阻力FD1时，倾斜角φ0拟采用拖缆末端连接拖体处的夹角ω，其表达式为

(17)

根据式(13)可得第一组原点处的缆绳夹角φ1，对φ0与φ1求和并平均值，再次计算缆绳阻力，迭代原点处的水平张力TH，重复计算式(13)，可得第二组原点处的缆绳夹角φ2;对φ0与φ2求和并平均值，再次计算缆绳阻力，迭代原点处的水平张力TH，重复计算式(13)，直至迭代误差小于期望值为止，即

(18)

(19)

计算时拖缆法向阻力系数Cn取仿真结果0.26，海水密度ρ取1 030 kg/m3，水的运动黏度取20 ℃时海水的数据γ=1.056 5×10-6m2/s。

3 拖曳系统缆深计算

根据拖曳系统的主要应用场合，分别对入水长度为50 m、100 m、150 m、200 m、250 m和300 m时系统下沉深度值进行计算，结果见表1。

表1 不同缆长、不同航速下拖曳系统下沉深度值计算结果

图8为拖体阻力和拖缆阻力随航速的变化曲线。从图8中可看出：拖体的阻力相比拖缆的阻力小得多，当入水长度为50 m时，在15 kn航速下，拖体的阻力为1 293 N，拖缆的阻力为5 505 N。随着入水长度和航速的增加，拖缆的阻力逐渐增大;当入水长度为50 m、航速为3 kn时，拖缆的阻力为3 937 N;当入水长度为300 m、航速为3 kn时，拖缆的阻力为7 952 N；当入水长度为300 m、航速为15 kn时，拖缆的阻力为12 261 N。

图8 拖体阻力和拖缆阻力随航速的变化曲线

图9为拖缆的入水角随航速的变化曲线。从图9中可看出：不同长度拖缆在同一航速下的入水角相差较小，在同一长度下，随着航速的增加，拖缆的入水角减小。当拖缆长度为50 m时，3 kn航速下拖缆的入水角为84.4°，15 kn航速下拖缆的入水角为33.8°；当拖缆长度为300 m时，3 kn航速下拖缆的入水角为75.6°,15 kn航速下拖缆的入水角为23.8°。

图9 拖缆的入水角随航速的变化曲线

图10为不同长度拖缆在不同航速下的滞后曲线。从图10中可看出，随着航速的增加，滞后距离逐渐增大。以50 m入水长度为例，3 kn航速下滞后距离为14 m，15 kn航速下滞后距离为46.8 m。

图10 不同长度拖缆在不同航速下的滞后曲线

图11为不同缆长、不同航速下的拖体下沉深度曲线。从图11中可看出：在同一缆长下，随着航速的增加，拖体下沉深度减小；在低航速下，随着拖缆入水长度的增加，拖体下沉深度增加明显；在高航速下，随着缆长的增加，拖体下沉深度趋于平缓。当拖缆入水长度为50 m、航速为3 kn时，拖体下沉深度为47.23 m；当拖缆入水长度为50 m、航速为15 kn时，拖体下沉深度为23.35 m。当拖缆入水长度为300 m、航速为3 kn时，拖体下沉深度为261.88 m；当拖缆入水长度为300 m、航速为15 kn时，拖体下沉深度为117.28 m。

图11 不同缆长、不同航速下的拖体下沉深度曲线

4 海上试验测试

在海况良好的条件下开展试验测试，由于试验平台航速的限制，只开展中低航速下拖体下沉深度的测试，测试结果见表2。

表2 中低航速下拖体下沉深度的测试结果

从表2可看出，设计值与实测值吻合度较好，6 kn和7 kn航速下差值在10%以内，8 kn和9 kn航速下差值在8%以内。由于设计计算时未考虑海流的叠加影响，而实际海试时存在海流，因此数值出现了偏差。

5 结 语

为满足高速大深度拖曳的应用需求，本文对拖曳系统设计进行了全面的分析、计算和验证，通过对拖体的轮廓造型和拖缆的横截面形状进行仿真优化，拖体的阻力系数达到了0.24，拖缆的阻力系数达到了0.26。对拖曳系统进行了水动力学分析，基于分析模型对6组缆长和16组航速进行了分析，得到了各种应用工况下的拖缆张力、入水角、滞后距离和下沉深度，实现了航速为15 kn时深度不小于100 m的应用要求。通过对数据进行对比分析得知，拖体阻力远小于拖缆阻力。在低航速下，随着拖缆入水长度的增加，拖体下沉深度增加明显；在高航速下，随着缆长的增加，下沉效果趋于平缓。在拖体重量和缆长受限情况下，为获得更好的下沉效果，需对拖缆减阻进行更深层次的优化设计。本文的拖曳系统设计和分析方法对同类产品的设计具有较好的工程指导价值。