不同盖板高度对拖体性能的影响研究

吴鹏程 赵林建 陈小星 郭磊磊

（中船重工第七一五研究所，杭州 310023）

不同盖板高度对拖体性能的影响研究

吴鹏程 赵林建 陈小星 郭磊磊

（中船重工第七一五研究所，杭州 310023）

运用STAR-CCM+软件，对7种不同盖板高度的拖体在不同偏角及不同攻角下的流场进行了数值模拟，得到其流场、压力分布。研究结果表明，拖体产生偏角后，其水动力中心值随着盖板高度的增加而减小，拖体的稳定性随着盖板高度的增加而减弱；拖体产生攻角后，其水动力中心值随着盖板高度的增加而增加（盖板高度为0的拖体除外），拖体的稳定性随着盖板高度的增加而增强。拖体在稳定状态时的升阻比随着盖板高度的增加先减小后增大，即在放缆长度相同时，拖体入海的深度先增大后减小。盖板高度a=60mm时，拖体的综合性能最优。该项研究为拖体设计提供了一种有效方法。

盖板高度，拖体，水动力，偏角，攻角，STAR-CCM+

随着经济的快速发展，陆地上可开采的资源逐渐减少，占地球表面积70.8%的海洋成为人们关注的重点。据统计，海洋蕴含的资源为陆地的几倍甚至几十倍[1]。由拖缆和装载各种设备的拖体组成的水下探测系统是目前应用最为广泛的海洋探测系统。拖体的水动力性能对拖曳系统的性能至关重要，而拖体结构又对拖体性能至关重要，因此，有必要研究拖体结构对拖体性能的影响。不同拖体结构在海洋中的性能研究主要分为试验研究与数值模拟研究两种类型，其中，数值模拟研究具有低成本、方便快捷等优点。在STARCCM+软件中采用雷诺平均（RANS）方法和realizable模型数学算法对水下拖体进行仿真，能够得到较为理想的结果[2]。本文采用SOLIDWORKS软件设计拖体模型，采用STAR-CCM+软件对不同盖板高度拖体的水动力性能进行分析研究，以设计出合理的拖体结构。

1 建 模

1.1 外形建模

由于拖体需要存放各种探测仪器，所以，拖体的总体积应得到保证，即所有拖体的包络总体积应一致。如图1所示，模型中拖体结构的总体积为234dm3，盖板高度a分别取180mm、150mm、120mm、90mm、60mm、30mm、0mm，b对应变化。

1.2 流场建模

拖体在不可压缩流体中运动，周边流场相对于拖体作湍流运动，流场控制方程可采用连续性方程（1）、N-S方程（2），湍流模型可采用Launder和Spalding[3]提出的k-ε模型。

选取合适的坐标系，流域入口速度为4m/s（工作速度），拖体姿态为：偏角0、5°、10°，攻角5°、-5°、0、10°、-10°，出口为压力出口，四周边界为滑移边界。网格由边界层控制的自动网格生成，进行适当的加密及调整，并对其进行网格敏感性验证。a=60mm的模型偏角为5°时的网格如图2所示。

2 结果与讨论

运用STAR-CCM+软件对7种不同a值的模型在不同偏角及不同攻角下的流场进行数值模拟，得到其流场分布，图3、图4分别为a=60mm的模型在偏角为10°、攻角为10°时的压力云图。

对不同盖板高度的拖体在不同工况时的受力进行分析，可以得到其相应的水动力中心值。在图2坐标系中，水动力中心值大于0，说明水动力中心在拖点之后，拖体发生偏转后，存在回复力矩使拖体恢复原态，且该值越大，拖体的回复趋势越强。

对不同盖板高度的拖体在不同偏角时的受力进行分析，得到各种模型在不同偏角时的水动力中心，如图5所示。可以看出，随着盖板高度的增加，拖体的水动力中心减小，且盖板高度为0、30mm、60mm的拖体水动力中心一直大于0，故拖体产生偏角后，其稳定性随着盖板高度的增加而降低，盖板高度为0、30mm、60mm的拖体在产生偏角后，一直存在回复力矩使拖体恢复原态。

各种模型在不同攻角时的水动力中心如图6所示。可以看出，在不同攻角下，随着盖板高度的增加，拖体的水动力中心增加（盖板高度为0的拖体除外），且所有拖体的水动力中心均大于0。由于水动力中心值越大，拖体越稳定，故拖体产生攻角后，其稳定性随着盖板高度的增加而增加。

对综合水动力中心进行分析可知，a分别为0、30mm、60mm的拖体模型较为合适。对不同盖板高度的拖体模型在稳定状态时（即偏角、攻角为0时）的升阻比（FL/FD）进行分析，如图7所示。

由图7可知，随着盖板高度的增加，拖体的升阻比先减小后增大，说明拖体在稳定状态时与托缆的夹角先增大后减小。放缆长度相同时，拖体入海深度先增大后减小，且盖板高度a=0时，入海深度最小，盖板高度a=60mm时，入海深度最大。虽然采用a=0模型在拖体产生偏角和攻角时最稳定，但其放缆成本最高。综合考虑稳定性和成本因素，选用a=60mm模型。

3 结 论

本文运用STAR-CCM+软件对7种不同盖板高度的拖体在不同偏角及不同攻角下的流场进行数值模拟，得到了其流场、压力分布。经过分析，可得出以下结论：

（1）拖体产生偏角后，拖体的水动力中心值随着盖板高度的增加而减小，拖体的稳定性随着盖板高度的增加而降低，盖板高度为0、30mm、60mm的拖体在产生偏角后，一直存在回复力矩使其恢复原态。

（2）拖体产生攻角后，拖体的水动力中心值随着盖板高度的增加而增加（盖板高度为0的拖体除外），拖体的稳定性随着盖板高度的增加而提高。

（3）拖体在稳定状态时的升阻比随着盖板高度的增加先减小后增大，在放缆长度相同时，拖体入海深度先增大后减小，盖板高度a=60mm时，距离达到最大。

（4）盖板高度a=60mm的拖体综合性能最优。

1 于华男. 开架式水下机器人辨识与控制技术研究[D].哈尔滨工程大学, 2003

2 赵林建, 陈小星. 基于STAR-CCM+的拖体水动力特性仿真计算[J]. 军民两用技术与产品, 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