耦合计算流体力学方法的海洋拖曳缆系统操纵动力学响应行为研究

Stability of towed cable system determines precision and efficiency of underwater detection equipment. Resistance formation and properties of cable also played a decisive influence on maneuverability of towing system. However, Modeling of hydrodynamics in towed system dynamics is quite rough. Based on applicant's advanced research on maneuver parameters of towed system, the algorithm of coupling towed cable system dynamic and computational fluid method is proposed. Based on investigation of scale effect of unbounded flow around cable, the coupled simulation includes automatic generation and update of grid around cable and inlet boundary, iterative calculation of cable tensile status and flow field in each time step. The method can accurately forecast of cable dynamic driven by maneuvering mother ship. This coupled method can predict drag spatial effect and unsteady stimulation on cable. Optimized cable segments division in cable dynamics is proposed. The coupled algorithm will improve forecasting accuracy of towed cable system dynamics behavior and incentive of towed cable and damped oscillation.

拖曳系统对母船的操纵运动响应决定了水下探测的精度和效率。沿着拖曳缆的水流阻力作用的变化规律和性质对拖曳系统操纵运动引起的动力学行为起到了决定性的影响，然而现有拖曳系统动力学模型中对拖曳缆承受的水流作用力的描述却十分粗糙。在申请者先期研究操纵参数对拖曳系统动力学特征影响的基础上，拟将拖曳系统缆索动力学算法与计算流体力学方法相互耦合，根据拖曳缆绕流雷诺数低尾迹范围小的特点，可在自动划分和更新绕流网格的基础上，依据缆元运动速度设置入流速度边界，实现每个时间步长内缆元构型与流场计算的信息迭代计算，准确预报受到母船平面操纵运动驱动下的拖曳缆运动过程中承受的水流作用力的变化规律，着重分析水流作用力的显著三维效应和非定常性，根据缆的弯曲张拉变形和水流作用力变化急缓来优化缆索节点布置。提高拖曳缆系统动力学行为预报准确度的同时，探索水流作用力对操纵系统的振动激励规律，分析操纵运动中阻尼振荡衰减性质影响规律。

本项目针对拖曳缆系统中对缆受到的流体作用力处于估算公式预报，精度难以提高的方法缺陷，采用了计算流体力学计算数值计算方法，建立耦合计算流体力学计算方法的拖曳系统动力学建模技术，该技术建立了水动力模型与拖曳缆离散模型的数据传递，并利用数值计算方法得到了空间弯曲形状下的拖曳缆受到的水流作用力，通过二次开发技术将拖曳缆动力学计算程序耦合到计算流体力学模型中，应用到多段式和多分枝的拖曳系统的隔振设计中，获得了拖曳系统在各种扰动下的运动响应这些响应包括拖曳系统受水面船舶的回转运动的驱动响应；拖曳系统受水面母船的加速激励振动、受减速激励跌落运动的响应行为；拖曳系统受水面母船响应波浪谱运动情况下的振动响应行为；多段式拖曳系统隔振设计方法。这种数值计算建模方法，提高了拖曳系统的建模精度，实现了拖曳系统操纵行为的高精度预报，对拖曳系统在变速、回转、水面扰动等可进行准确的模拟，推进了拖曳缆动力学的进展。