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水下作业装置偏航、俯仰状态水动力学研究

张港庆1,董建帅2,3,苏世杰1,陈 赟1,晏 飞1 2024/4/9 19:29:11

   (1.江苏科技大学 机械工程学院,江苏 镇江 212003;2.中国船舶科学研究中心,江苏 无锡 214082;3.深海技术科学太湖实验室,江苏 无锡 214082)
   摘 要:近年来,随着海洋资源的不断发现,水下作业装置越来越受人们的重视。为了研究水下作业装置在偏航和俯仰状态下的水动力学特性,首先基于雷诺时均N-S方程(RANS)和RNG湍流模型,对SUBOFF潜艇进行数值模拟,并与实验数据进行了比较,验证了数值模拟方法的有效性和可靠性。其次,研究了不同偏航角和俯仰角对水下作业设备表面压力、速度和涡旋的影响。结果表明,随着偏航角和俯仰角的增大,表面压力与其成正比,速度与其成反比,涡旋向背流侧发展。通过以上分析,对研究水下作业装置的稳定性具有重要意义。
   关键词:水下作业装置;数值模拟;流体动力
  
   0 引 言
   由于海洋物产丰富,各国都把海洋资源的勘探和开发作为发展重点[1]。但水下环境险恶复杂,潜水员水下作业十分危险。为了提高安全性,水下作业装置已经成为水下工作和研究的重要工具[2]。水下作业装置在工作时,由于工作环境复杂,会在水下以不同的偏航和俯仰姿态工作,导致其自身受力点和周围流场的变化,进而影响其工作时的稳定性。因此,分析水下作业装置在不同偏航、俯仰姿态下的水动力性能便非常重要。肖昌润等[3]用动网格法比了RNG湍流模型和SST湍流模型的计算精度。结果表明,两者计算精度相差不大,但是RNG湍流模型计算时间较短。易文彬等[4]采用STAR-CCM+软件预测船模阻力。结果表明,棱柱层的层数和总厚度对阻力预测有很大影响。王兴茹[5]研究了潜艇在偏航和俯仰状态下的涡旋。结果表明,随着偏航角的增大,流场中的涡流强度增大。Xavier Ling等[6]研究了潜艇在不受自由面或海底影响的情况下的偏航角。潜艇周围的负压随着偏航角的增大而增大。张思聪[7]在偏航角下对潜水器进行了仿真,结果表明,随着偏航角的增大,潜水器迎流面一侧的船体所受压力越来越大,流速越来越慢。Zhang等[8]使用雷诺平均(RANS)和标准模型方法,研究了蝶形机器人的阻力性能问题,并用实验证明了数值模拟的准确性。Abedi等[9]采用风洞试验和数值模拟相结合的方法对潜水器流场进行了分析,得到了潜水器表面压力分布。
   本文利用STAR-CCM+软件对不同偏航角和俯仰角的水下作业装置进行仿真,探索不同偏航角和俯仰角对水下作业装置水动力特性的影响。
   .................
   5 结论
   通过以上对水下作业装置的分析得出如下结论
   1)数值模拟阻力和压力系数与试验结果吻合度较高,6种航速下阻力结果与实验结果最大误差为4.9%,平均误差为2.95%,可以满足工程所需要求。
   2)对于不同偏航角、俯仰角对表面压力的影响,可以看出,随着偏航角和俯仰角增大,水下作业装置在迎流侧压力增大,背流侧压力减小。
   3)对于不同偏航角对速度的影响,可以看出,在横截面上,随着偏航角增大,迎流面积越大,速度阻塞区域越大;在纵截面上,随着偏航角增大,周围速度越大,尾流长度减小,速度分层更加明显。
   4)对于不同俯仰角对速度的影响,可以看出,在横截面上,水下作业装置两侧流场呈对称分布,尾流长度随俯仰角增大而减小;在纵截面上,首部的背流侧和尾部的迎流侧都有高速度区,并且随着俯仰角增大,速度阻塞区变大。
   5)对于不同偏航角对涡旋的影响,可以看出,随着偏航角的增大,交汇涡仅在水下作业装置迎流侧的机械臂和机身交界处形成,机械臂产生的梢涡和交汇涡后方的涡带都会向背流侧偏移。
  
   基金项目:江苏省自然科学基金BK20191459
   作者简介:张港庆,男,1997年生,硕士研究生,研究方向为水下装置水动力性能。

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