基于CFX的水下拖曳链水动力分析

孙昕煜 苏石飞 郝浩琦

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于CFX的水下拖曳链水动力分析

孙昕煜 苏石飞 郝浩琦

（第七一五研究所，杭州，310023）

采用CFX流体动力分析软件对水下拖曳链进行水动力分析，并计算拖曳链的流阻力系数，与试验数据进行对比，确定仿真分析与实测数据的相对误差，证明采用CFX软件对拖曳链进行水动力分析是有效可行的。

拖曳链；水动力；有限元分析；阻力系数

由于水的粘滞性，水下拖曳链系在水中移动时，水流会对拖曳链系形成拖曳阻力。拖曳阻力会使链系与海平面形成一定的拖曳角（链系与铅直方向夹角），而且拖曳角会随着母船航行速度的增加而增大，极端情况下链系会被甩出海平面，造成严重后果。当拖曳链系定长时，拖曳角的增大也势必会造成拖体垂直深度变浅，而拖体正常工作须一定的水深范围，因此分析拖曳链系的拖曳阻力对整个拖曳链系姿态的影响是很有必要的。拖曳链系中的拖体可以设计成流线型，拖曳时产生的阻力很小(阻力主要来自于拖曳链)。分析拖曳链拖曳阻力是研究整个拖曳链系受力情况中一个非常重要的环节。

1 拖曳链水动力计算模型

拖曳链是由图1中所示的多个链环串连而成，拟分析的拖曳链直径为32 mm的标准有挡链环，链环的结构尺寸如表1所示。

图1 链环结构

表1 链环结构尺寸

由于拖曳链是比较复杂的流体模型，采用理论计算较为繁琐，现拟采用Ansys有限元分析软件中的CFX软件对拖曳链进行水动力分析与仿真。CFX软件是工程中应用较为广泛的流体动力分析软件，计算精度和可靠性优于同类仿真软件。首先，采用CFX软件对拖曳链进行建模。由于拖曳链结构较为复杂，网格划分难度和数量大，为了减少计算量，考虑到拖曳链环的结构特征是周期性，只沿拖曳链长度方向建四节链环模型，模型两端在链环中档处截断。建立的拖曳链模型如图2(a)所示。然后定义单元类型，进行网格划分，有限元单元网格模型如图2(b)所示。运用SIMPLE算法和SST湍流模型，设置来流速度为3.0 m/s，求解稳态不可压缩粘性流体N-S方程，得到不同倾角下拖曳链的流载荷FD，并将流载荷分解为沿拖曳链轴线方向的切向力FT和垂直于轴线方向的法向力FN。图2(c)为拖曳链某一横截面处的压力云图。

图2 (a)拖曳链模型

图2 (b)拖曳链网格模型

图2 (c)拖曳链压力云图

采用周期性边界条件，分别对以下四种工况进行计算：（a）拖曳链垂直正对流；（b）在XOY平面内，拖曳链纵倾45°正对流；（c）拖曳链垂直，流偏角45°；（d）拖曳链纵倾45°，流偏角45°。在对四种工况进行分析后，对流载荷结果进行统计，统计结果如表2所示。

表2 拖曳链流阻力计算结果

在应用莫里森方程计算拖曳链张力时，通常分别定义单位长度拖曳链的切向流阻力系数CT和法向流阻力系数CN为：

其中，V表示来流速度，θ表示拖曳链法向与来流的夹角（平面纵倾角），L是拖曳链长度，g是重力加速度。同理可以定义流阻力系数：

根据表2所得到的几种工况下单位长度拖曳链的受力情况，计算拖曳链的流阻力系数，计算结果如表3所示。

表3 拖曳链流阻力无因次结果

2 CFX计算结果验证

为验证CFX软件计算出的拖曳链水动力分析结果，选择开阔水域对单根拖曳链进行了拖曳试验。拖曳链长度20.8 m，静止时水中重量为446 kg。当拖曳速度为3 m/s时，用张力传感器测得拖曳力为399 kg，纵向拖曳角为40.7°。根据试验数据可以换算出单位长度拖曳链的实测切向系数CT=0.765，法向流阻力系数CN=2.7。通过CFX软件进行流动力分析拖曳链纵倾角为40.7°时的切向流阻力系数和法向流阻力系数，将数值结果列于表4。然后对速度为3.5 m/s的拖曳数据进行采集，并计算此时的流阻力系数，同样将数据列于表4。对比发现，理论值与实验值的误差在小于10%的范围内，表明计算结果是可信的。

表4 流阻力系数对比

上述拖曳链水动力计算模型为拖曳链水动力和形态设计奠定了理论基础。例如改变拖曳链的形状、尺寸、材料等参数，就可以用理论估算方法快速得到拖曳力和倾角。计算方法如下：

（1）应用CFX软件对拖曳链进行CAD建模，计算不同倾角下拖曳链的流阻力，并根据式（3）推导出流阻力系数；

（2）分析流阻力系数与倾角之间的关系，建立拟合关系式CD=f（θ）；

（3）建立拖曳力T、流阻力FD、重力G、浮力B之间的静力平衡关系式，求解拖曳力T和倾角θ。

3 结论

通过对水下拖曳链的水动力分析，并与实测数据进行比较，可以发现利用CFX软件仿真得到的数据与实际测量数据偏差很小，仿真数据是有效可信的。在以后的工程设计中，可在CFX软件中任意改变拖曳链的形状、尺寸、材料等参数，就可快速得到拖曳力和倾角，这对于拖曳链尺寸的选取以及整个拖曳系统水动力分析都有一定的实用意义。

[1] 张远君.流体力学大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1991.

[2]В.И.叶果洛夫.水下拖曳系统[M].北京:海洋出版社,1988.

表4 两只标准水听器接收灵敏度温度试验偏差分析

4 结论

本文对标准水听器温度稳定性进行相关实验室研究，实验结果表明，压电陶瓷材料、包覆透声材料对标准水听器温度稳定性有一定影响，但在标准水听器工作10℃~35℃范围内，上述因素导致的温度稳定性差异较小，因此，在设计高稳定性标准水听器时，需要综合时间稳定性和压力稳定性因素，合理选择方案，本实验研究对完成高稳定性标准水听器研制提供一定的实践指导。

参考文献：

[1]中国国家标准化管理委员会.声学 标准水听器: GB/T4128-1995[S].北京:中国标准出版社,1995.

[2 ]赵涵,费腾,袁文俊,等.1 Hz ~ 2 kHz标准水听器检定规程JJG 1018-2007[S].北京:中国标准出版社,2007.

[3]李红元,高介电.高压电常数压电陶瓷的研究[D].天津大学,2007.