导流缆拖曳系统耦合运动响应特性研究

水下拖曳系统随着海洋开发的深入日益受到关注，实验发现导流缆拖曳系统在减小流体噪声、抑制抖动及提高拖曳深度等方面具有优良的特征，然而对其运动的研究却甚少。本项目旨在研究导流缆拖曳系统的运动机理，建立完整的拖曳母船-导流缆-拖体系统三维耦合水动力运动数学模型；试验测量导流缆在不同轴向、侧向攻角时的水动力特性；通过数值模拟探讨系统在机动操纵和常见海况下的各种运动响应特性。拟以集中质量法为基础，侧重建立导流缆的四自由度运动模型，并计入缆扭矩、各向异性弯矩的联合作用；通过建立船缆、缆拖体耦合条件，从而构成整个系统的运动数学模型；利用数值方法求解模型，解决应用过程中准确预报系统运动姿态轨迹等关键技术问题，进行运动敏感性分析，探讨漂移现象，寻求改善方法。进行模型试验，验证并完善上述数学模型及求解方法。该项研究的开展，可为导流缆在拖曳系统中的应用提供有益参考，也有助于柔性体绕流水动力学的发展。

导流缆水下拖曳系统拥有良好的运动性能及声学性能，国内外不少研究机构致力于这方面的研究，但导流缆系统运动远较传统圆缆复杂，而该方面以往的研究主要侧重工程应用，缺乏对其运动机理的理论研究。本项目采用理论建模，结合水动力试验测量，通过数值仿真研究方法，较为系统地研究分析了导流缆系统的整体运动响应特性。在船 - 缆 - 拖体系统的理论建模研究中，经适当简化，基于集中质量法基本思想建立了导流缆四自由度运动控制方程，较为完整地计入了各常见因素的影响，同时为消除数值离散求解过程中某些计算失稳现象，给出了相应的建模求解方案；其中还建立了拖缆三维各向异性弯矩、扭矩计算模型，并将其溶入到缆的控制方程中去。通过拖曳水池试验测量了一典型导流缆的的水动力性能，完整地得到了其在不同雷诺数、侧向、法向攻角时的法向、切向阻力系数和侧向升力系数。利用面元法，系列计算了不同形状导流缆的附加质量及转动惯量，并回归分析给出经验公式以方便应用。在此基础上进行了系统的仿真研究，总结出了系统的一些运动响应特性，如：拖船的横向、垂向扰动可以很容易传播到整个导流缆上；进行运动敏感性分析，探讨了系统的侧漂现象，给出了明显影响侧漂的几个因素。本项目的研究在理论上丰富了拖曳系统动力学的研究，同时对于导流缆拖曳系统的设计与应用也可提供有益的参考。