SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：根据Airy微幅波波浪理论和不可压缩的黏性流动Navier-Stokes方程对拖体的水动力特性作理论分析，建立海水中拖体运动响应方程，推导出波浪和水下作业中拖体受力运动计算方法，利用水动力分析软件AQWA对试验拖体的三维模型进行仿真计算。对拖体在波浪中运动响应进行频域分析，计算出拖体运动响应放大因子RAO曲线，发现当波浪频率越大，拖体俯仰响应越大，最大俯仰响应角度数值可达约11倍有义波高数值；参考试验海域海况参数，对试验拖体在波浪中运动响应进行时域分析，计算100 s内拖体升沉、纵摇、横摇和偏航位移响应。计算结果预警当有垂直拖体长度方向的波浪入射时，拖体会产生较大的横摇、偏航。通过仿真数据和实际试验数据的对比可以看出，采用的计算方法对试验拖体运动响应作出的预报值准确、可靠。
关键词：拖体；波浪理论；运动响应；水动力
Hydromechanical Analysis of Towed Body on Hydrodynamic Characteristics
Wang Shuai，Meng Xudong，Chen Xiaoxing
（The 715th Research Institute of CSSC,Hangzhou 310012,China）
Abstract:The hydrodynamic characteristics of the towed body are analyzed theoretically based on the Airy wave theory and incompressible viscous flow Navier-Stokes equation,and the motion response equation of the towed body in seawater is established.The calculation method of the towed body in waves and underwater operation is derived.And the hydrodynamic force of the towed body is simulated by AQWA.The frequency domain response of the towed body is analyzed and the motion response RAO curve of the towed body is calculated.According to the results,the wave frequency is greater,the pitching response of the towed body is bigger.And the maximum pitching response angle value can reach about 11 times than the wave height.With reference to the sea state parameters of the test area,the time domain response of the towed body is analyzed and the depth,pitch,roll and yaw displacement responses are calculated in 100 s.Through the comparison of the simulation data and the working results,it can be found that the simulation calculation method used can predict the motion response of the towed body reliably.
Key words:towed body;wave theory;motion response;hydrodynamics
0引言
拖曳系统作为人类探索海洋的一种重要工具，在海洋学研究、海底资源开发、海洋打捞救助以及水下目标探测等方面具有广泛的应用[1]。拖曳系统一般由母船、甲板绞车、拖缆、沉降器、脐带缆、拖体等部分组成[2]。拖体作为拖曳系统的主要组成部分，是安装光学、声学、和其他探测传感器的水下集成平台[3]，保证拖体的安全及各项设备正常工作非常重要。在实际工作时，由于风、浪、流与拖体之间复杂的相互作用，导致拖曳系统的工作状态难以准确预测。因此掌握拖体的运动规律和特性对拖曳系统的设计和使用具有十分重要的意义。
目前对拖体水动力特性模拟，应用最广泛的当属由Gertler and Hargen[4]首先提出后由Abkowitz[5]改进的水下运载体（Underwater Vehicle）六自由度运动方程[6]。为了得到水动力响应参数，通常的做法是对其缩比模型进行水动力试验，再通过尺度换算得到实际比例下拖体的水动力响应参数[7]。然而目前六自由度运动方程主要解决的是拖体在水下的稳定性问题，针对拖体收放入水瞬间，在海浪作用下的动态响应无法预测，导致拖体在收放时存在安全隐患。另外由于水动力试验的成本高、周期长、同时存在尺度效应，因此不可能对每一种线型的拖体进行水动力试验来获取其水动力参数[8]。
为了对拖体在入水瞬间的动态响应做出预测，提前识别危险工况，本文对拖体的水动力特性作理论分析，建立了拖体运动响应方程，推导出波浪和水下作业中拖体受力运动计算方法。通过仿真计算对拖体的运动规律进行研究，利用大型商用软件AQWA，分析了试验拖体入水时的动态响应和稳定性，识别并预报了危险工况，得到了有一定工程指导意义的研究成果。
1理论分析和计算
拖体浮在海面时会随海面运动，不可避免地会受到波浪的影响，拖体的运动示意如图1。求解拖体运动的关键在于求解拖体水动力响应的变化。一方面需选取合适的波浪理论，建立拖体在波浪载荷下的动力学方程，计算在目标海况波浪条件下，拖体受波浪作用的运动响应；另一方面，拖体入水后，在海流的作用下各自由度也会产生一定的位移，需要校核拖体的稳定性，本文依据流体不可压缩的粘性流动和Navier-Stokes方程，基于VOF方法计算不同入射角和流速下拖体的运动响应。
1.1拖体漂浮时理论分析及计算
由于设计需要试验拖体入水后会漂浮在水面上，此时拖体主要受波浪作用产生运动响应，因此首先选择合适的波浪势流理论，分析拖体受力运动，建立动力响应方程，应用水动力分析软件AQWA计算拖体主要方向的运动运动响应，分析拖体稳定性能。
1.1.1波浪势流理论
常用的描述规则波浪运动的理论有微幅波理论（Airy）、有限振幅波理论（Stocks）、椭圆余弦波理论和孤立波理论，其中后三者使用于非线性波[7-8]。微幅波的波高是波长的1/50，因而也称为线性波，它是波浪运动最简单最基本的形式，如图2所示，而复杂的波谱是由多个线性波叠加而成的[9]。本文研究拖体在入射波的作用下作相对较小的运动，因此微幅波理论是研究拖体在波浪中运动的基础。
理想有势流体的速度势满足Laplace方程和自由表面边界条件以及物体表面，海底的边界条件（水深h）和Sommerfeld的无穷远处的辐射条件，即满足：
1.2 AQWA仿真建模
本文利用水动力分析软件AQWA计算求解波浪作用下的拖体运动响应方程，水动力响应均使用AQWA计算得出。AQWA软件已经被集成到ANSYS的软件包中，提供了一套工具集，用于分析浮体、固定近海工程和海上结构物受环境载荷的影响，除此之外还广泛用于浮式生产和装卸系统、船舶和海洋平台的计算。根据规则波中的三维辐射、衍射理论以及Morison方程，AQWA可以模拟线性力作用在浮式和固定刚体结构上[10]，同时也能分析和计算作用在浮体湿表面的速度势及波浪力，模拟多体耦合的运动响应。
采用三维建模软件Solidworks对拖体进行几何模型的构建，因为实物结构较为复杂，而其中的多数构件很难划分网格。但这些结构对运动响应的数值模拟结果没有太大的影响，所以在建模过程中对计算结果影响比较小的各种内板、支撑框架和固定肘板等都不考虑[11-12]，只是构建了模型的主体部分，拖体在海水中的模型如图3所示。其中坐标系的x轴正为拖体拖拽方向，y轴正为拖体的宽度方向，z轴正为拖体垂向方向。
网格划分是进行数值模拟分析至关重要的一步。为了保证计算精度，同时兼顾成本，拖体划分网格的总单元数小于30 000，水下部分的网格数不超过20 000，相邻单元的面积比应小于3，本次仿真选定最大网格单元尺寸为0.1 m，网格划分如图4所示。
1.2.1频域计算分析
一般认为海洋中波浪高度是一个具有零均值、各态历经的高斯随机过程，拖体对任一波浪成分的响应是这个成分波波幅的线性函数并且与它对其他波浪成分的响应独立无关，在动力学中可由幅值响应算子（Response Amplitude Operator，RAO）描述[13-14]，拖体响应RAO值由下式确定：
1.2.2时域计算分析
深拖系统海上作业过程中，下放和回收拖体的时间较短，拖体浮在海面的时间相对更短，利用AQWA作拖体浮在海面时域分析，时域分析方法和频域分析方法相比，其数值计算的工作量要大很多，但是在处理非线性问题上效果更好，本文计算100 s内拖体升沉、纵摇、横摇和偏航位移响应，时间步长设置0.05 s。其中升沉响应选取波浪入射角90°,峰值频率0.167 Hz；俯仰响应选取波浪入射角0°,峰值频率0.167 Hz；横摇响应选波浪入射角90°,峰值频率0.167 Hz；偏航响应选波浪入射角90°,峰值频率0.167 Hz。计算结果如图9~12所示。
2拖体试验数据分析
拖体内部装有高度计和姿态传感器，拖体入水后可以通过显控获取升沉、俯仰、横摇和偏航等位移信息。根据仿真计算的结果对拖体进行改进并兼顾设备集成，最终进行拖曳试验，如图13所示。通过实际的海试这里将实测数据与拖体仿真计算结果分析比较。
如图13所示。通过实际的海试这里将实测数据与拖体仿真计算结果分析比较。
选取拖体刚下放入水后100 s时间内，升沉、俯仰、横摇和偏航数据与仿真计算结果对比，具体对比情况如图14~17。
通过对比分析拖体仿真模拟计算结果与海试试验实际数据不难发现，升沉、横摇和偏航实测数据与仿真计算结果接近，且峰值略小于计算值；俯仰实测数据与仿真计算结果也比较接近，只是有小段时间计算结果略小于实测数据。因此可以认为本文对于拖体运动响应预报值比较可靠。
3结束语
本文对拖体的水动力特性作理论分析，建立海水中拖体运动响应方程，推导出波浪和水下作业中拖体受力运动计算方法。选取Airy线性波浪理论和实际海流海况，在水动力分析软件AQWA中对拖体作频域和时域分析，计算拖体升沉、俯仰、横摇和偏航等水动力响应值，分析得出在风浪较小的海况下，拖体在海面漂浮时运动响应幅值较小，但是要提防海面出现频率较大周期较小波浪的情况，当下放拖体时应避免垂直拖体长度方向的入射波浪。从仿真计算结果与实测试验数据对比可以看出，实测数据与仿真计算结果接近，本文所采用的仿真计算方法对拖体运动响应作出的预报值比较可靠，可对恶劣工况做出预警，具有一定的工程指导意义。
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