劉傳龍, 袁緒龍, 張宇文

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水下系留平臺(tái)擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)建模與仿真

劉傳龍, 袁緒龍, 張宇文

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院, 陜西西安, 710072)

水下系留平臺(tái)廣泛應(yīng)用于浮標(biāo)、潛標(biāo)等水文監(jiān)測(cè)設(shè)備以及錨雷等水下作戰(zhàn)平臺(tái), 會(huì)受到海流作用而發(fā)生偏降、擺動(dòng)和其他準(zhǔn)周期性擾動(dòng)運(yùn)動(dòng), 給所搭載的儀器設(shè)備或武器系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)帶來(lái)不利影響。本文以一種典型的水下系留平臺(tái)為研究對(duì)象, 建立了3自由度動(dòng)力學(xué)模型, 通過(guò)數(shù)學(xué)仿真研究了穩(wěn)定海流作用下平臺(tái)的平衡特性, 以及擾動(dòng)海流作用下平臺(tái)的擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性, 分析了平臺(tái)總體參數(shù)、系留參數(shù)對(duì)擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律, 提出了減小擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)幅度, 提高平臺(tái)穩(wěn)定性的措施。

水下系留平臺(tái); 擾動(dòng)運(yùn)動(dòng); 動(dòng)力學(xué)模型; 仿真

0 引言

為了滿足對(duì)能源日益增長(zhǎng)的需求, 人類(lèi)一直在搜尋各種新能源, 海洋作為世界上最大的資源寶地, 蘊(yùn)藏著極其豐富的礦物資源和油氣資源, 將是人類(lèi)未來(lái)生存和發(fā)展所必需資源的主要提供者。海流能作為海洋能的重要組成部分, 越來(lái)越多地受到世界各國(guó)新能源開(kāi)發(fā)的關(guān)注。最新的海流發(fā)電思路是將發(fā)電裝置錨泊于一定水深處, 并且在同一錨泊系統(tǒng)不同深度設(shè)置多個(gè)海流發(fā)電裝置, 該系留平臺(tái)如圖1所示, 這種方案可以很好地解決發(fā)電裝置抗海底淤泥差和海底流速低等問(wèn)題, 但該種方案系統(tǒng)的系留穩(wěn)定性問(wèn)題還有待深入研究。操盛文等研究了影響海洋潛標(biāo)系統(tǒng)偏降的因素, 劉愉強(qiáng)等對(duì)單點(diǎn)系留式的潛標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了靜力學(xué)分析和姿態(tài)角計(jì)算, 對(duì)系留系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性以及在擾動(dòng)海流作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性并未研究?；诖? 本文建立了該系統(tǒng)的3自由度動(dòng)力學(xué)模型, 利用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)軟件計(jì)算平臺(tái)的流體動(dòng)力系數(shù), 結(jié)合錨索的2D數(shù)學(xué)模型, 采用MATLAB仿真方法解算出平臺(tái)和錨索在擾動(dòng)海流作用下的姿態(tài)變化以及平臺(tái)偏降情況, 提出了改善系留平臺(tái)穩(wěn)定性的措施, 可供水下系留平臺(tái)以及海流發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究參考。

1 水下系留平臺(tái)3自由度動(dòng)力學(xué)模型

為簡(jiǎn)化問(wèn)題, 假設(shè)錨定力足夠大, 不會(huì)發(fā)生走錨狀況, 暫不考慮每一段錨索上的流體阻力。

1.1 坐標(biāo)系的選取及角度的定義

如圖1所示, 定義地面坐標(biāo)系和平臺(tái)體坐標(biāo)系來(lái)描述平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。地面坐標(biāo)系原點(diǎn)于錨系點(diǎn),軸指向初始來(lái)流方向,軸指向正上方,軸按右手定則確定。平臺(tái)體軸系原點(diǎn)位平臺(tái)形心所在橫截面中心,軸與平臺(tái)對(duì)稱(chēng)軸重合指向頭部,軸位于縱平面內(nèi)并垂直于軸,軸按右手定則確定。

圖1 水下系留平臺(tái)示意圖

Fig. 1 Schematic of submerged mooring platform

1.2 動(dòng)力學(xué)方程組

理論上, 平臺(tái)在穩(wěn)定來(lái)流作用下, 在流體動(dòng)力、自身重力、浮力、下端錨索拉力和上端錨索拉力的作用下達(dá)到平衡?？紤]系統(tǒng)的慣性, 可建立描述系統(tǒng)在平衡狀態(tài)附近擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程組

(2)

2 仿真算例

2.1 穩(wěn)定海流下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

首先給出在來(lái)流穩(wěn)定以及相應(yīng)參數(shù)確定的情況下, 系統(tǒng)從豎直狀態(tài)向平衡狀態(tài)運(yùn)動(dòng), 在海流作用下偏降、偏轉(zhuǎn)、振蕩并逐漸達(dá)到平衡的仿真計(jì)算過(guò)程。平臺(tái)參數(shù)如表1所示, 仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

表1 平臺(tái)參數(shù)

可見(jiàn), 在海流作用下, 系統(tǒng)從初始位置變化到平衡位置。在這一過(guò)程中平臺(tái)自身的姿態(tài)角經(jīng)過(guò)劇烈的振蕩最終趨于平衡值, 纜繩轉(zhuǎn)角和平臺(tái)偏降則平緩變化到平衡位置。

2.2 擾動(dòng)海流下系統(tǒng)響應(yīng)與抑制

圖2 平臺(tái)的偏降

圖3 系統(tǒng)姿態(tài)角

圖4 擾動(dòng)幅度對(duì)平臺(tái)偏降的影響

圖5 擾動(dòng)幅度對(duì)系統(tǒng)姿態(tài)角的影響

圖6 擾動(dòng)周期對(duì)平臺(tái)偏降的影響

由上圖可以看出: 1) 系留平臺(tái)與擾動(dòng)輸入為同周期響應(yīng); 2) 隨著擾動(dòng)幅度的增加, 系統(tǒng)姿態(tài)角和平臺(tái)偏降的響應(yīng)幅度都相應(yīng)增加; 3) 隨著擾動(dòng)周期的增加, 系統(tǒng)姿態(tài)角和平臺(tái)偏降的響應(yīng)幅度都相應(yīng)增加。

表2 系留點(diǎn)位置對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)幅度的影響

表3 上端拉力對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)幅度的影響

表4 平臺(tái)質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)幅度的影響

由表2、表3和表4可以看出: 1) 在其他系留平臺(tái)參數(shù)一定時(shí), 平臺(tái)俯仰角響應(yīng)幅度隨系留點(diǎn)位置變化有一最小值, 隨上端拉力增大而增大, 隨平臺(tái)質(zhì)量增加而減小; 2) 平臺(tái)橫滾角響應(yīng)幅度隨上端拉力增加而減小, 隨平臺(tái)質(zhì)量增加而減小; 3) 平臺(tái)位置下降響應(yīng)幅度隨上端拉力增加而減小, 隨平臺(tái)質(zhì)量增加而增加; 4) 其他系統(tǒng)參數(shù)響應(yīng)幅度隨系留點(diǎn)位置、上端拉力和平臺(tái)質(zhì)量變化改變很小。

3 結(jié)論

本文基于一種典型的水下系留平臺(tái), 建立了3自由度動(dòng)力學(xué)模型, 給出了模型在穩(wěn)定海流作用下從初始位置到平衡位置的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。在擾動(dòng)流作用下, 對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值仿真研究, 得出以下結(jié)論。

1) 系留平臺(tái)與擾動(dòng)輸入為同周期響應(yīng);

2) 系統(tǒng)響應(yīng)同擾動(dòng)幅度和擾動(dòng)周期呈線性增加關(guān)系;

3) 在速度擾動(dòng)參數(shù)不變的情況下, 系留點(diǎn)位置、上端拉力和平臺(tái)質(zhì)量對(duì)平臺(tái)俯仰角的響應(yīng)幅度有顯著影響, 對(duì)纜繩轉(zhuǎn)角的影響很小;

4) 系留點(diǎn)位置變化對(duì)平臺(tái)俯仰角響應(yīng)幅度的影響關(guān)系呈V字形曲線, 存在一個(gè)最佳位置使得平臺(tái)俯仰角擾動(dòng)幅度最小, 其他系統(tǒng)參數(shù)響應(yīng)幅度隨系留點(diǎn)位置變化改變很小;

5) 隨著上端拉力的增加, 平臺(tái)俯仰角的響應(yīng)幅度增加, 橫滾角響應(yīng)幅度減小, 平臺(tái)位置下降響應(yīng)幅度減小;

6) 隨著平臺(tái)質(zhì)量的增加, 平臺(tái)俯仰角和橫滾角的響應(yīng)幅度減小, 平臺(tái)位置下降響應(yīng)幅度增加。

7) 基于此, 為減小系統(tǒng)響應(yīng)幅度, 需適當(dāng)選取系留點(diǎn)位置, 減小上端拉力, 增加平臺(tái)質(zhì)量。

[1] 田應(yīng)元, 張?jiān)坪? 任翀. 海流發(fā)電發(fā)展方向及技術(shù)路線思考[J]. 能源工程, 2010(1): 9-14.Tian Ying-yuan, Zhang Yun-hai, Ren Chong. Research on the Trend and Technical Line of Marine Current Generation[J]. Energy Engineering, 2010(1): 9-14.

[2] 操盛文, 閔強(qiáng)利. 海洋潛標(biāo)錨泊系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算分析[J]. 水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù), 2009, 17(1): 27-30.Cao Sheng-wen, Min Qiang-li. Numerical Calculation Analysis of Ocean Submersible Buoy Mooring System[J]. Mine Warfare & Ship Self-Defence, 2009, 17(1): 27-30.

[3] 劉愉強(qiáng), 盛巖峰, 王俊勤, 等. 潛標(biāo)系統(tǒng)靜態(tài)力學(xué)分析計(jì)算及其應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)[J]. 海洋技術(shù), 2010, 29 (3): 34-37.Liu Yu-qiang, Sheng Yan-feng, Wang Jun-qin, et al. Static Analysis and Attitude Calculation of Marine Submersible Buoy System and Its Application Development[J]. Ocean Technology, 2010, 29(3): 34-37.

[4] 張宇文. 魚(yú)雷彈道與彈道設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1999.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Modeling and Simulation of Disturbance Motion for Submerged Mooring Platform

LIU Chuan-long, YUAN Xu-long, ZHAHG Yu-wen

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Submerged mooring platform is widely applied to hydrological monitoring devices such as buoy and subsurface buoy, and to underwater battle platform such as moorage mine. The platform will drift, descend, pitch and yaw, or even perform a complicated cycling motion to influence the initial calibration of the carried devices. In this paper, a typical submerged moorage platform is studied by dynamic modeling and simulation. A three-dimensional equation of motion is established to analyze the balance and disturbed motion of the horizontal submerged platform attached by fork connection. The effects of system parameters and mooring parameters on the stability of disturbed motion are analyzed via simulation, and some methods for improving the stability of the platform are presented.

submerged mooring platform; disturbed motion; dynamic model; simulation

TJ630.1

A

1673-1948(2012)06-0407-04

2011-12-12;

2012-03-10.

劉傳龍(1988-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)槲淦骺傮w設(shè)計(jì)技術(shù).