單海烽，朱克強(qiáng)，張大朋，孫兆浩

(1.寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，寧波 315211；2.浙江大學(xué) 建工學(xué)院，杭州 310058)

潛標(biāo)作為現(xiàn)代海洋離岸監(jiān)測(cè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，能夠自主實(shí)時(shí)對(duì)海洋水文、氣象等要素進(jìn)行全方面連續(xù)的監(jiān)測(cè)，是海洋其他諸多探測(cè)手段在時(shí)空上的延伸拓展。潛標(biāo)受固定錨的作用而錨定于特定的海底位置，通過系留索的釋放器上浮回收，對(duì)水下環(huán)境剖面資料的獲取尤為重要，自身優(yōu)良的隱蔽性、穩(wěn)定性是其他水下監(jiān)測(cè)方法無法具有的，世界各國對(duì)潛標(biāo)系統(tǒng)日益重視，后者也日益得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。

潛標(biāo)水下布放水動(dòng)力學(xué)特性研究具有獨(dú)特的意義。水下布放相比于水上布放，由于布放點(diǎn)距離錨定點(diǎn)距離相較于水上布放短，省去大量的纜線材料，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。并且由于距離較短，纜繩的自重、外界環(huán)境因素如風(fēng)浪流等帶來的影響大大減小，布放環(huán)境大大改善，水下布放也更加隱蔽、安全。另外，潛標(biāo)布放避免了傳統(tǒng)的潛標(biāo)布放方法“標(biāo)錨法”、“錨標(biāo)法”定位不準(zhǔn)確，大張力載荷受環(huán)境影響大等缺點(diǎn)[5]。本次研究的布放方式由于是水下布放受環(huán)境因素影響較小，并且由于是在錨和潛標(biāo)一起下落過程中自行部署釋放，幾近不再受船只的動(dòng)負(fù)荷沖擊。

目前單體式潛標(biāo)的水上布放的水動(dòng)力性國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究[6-10]。相比單體水上布放，潛標(biāo)水下布放工程是一個(gè)更為復(fù)雜的水下系統(tǒng)，包含部署控制釋放器等組件，并且極易出現(xiàn)纜線、組件之間的纏結(jié)，但是直接進(jìn)行編程工作量過大，且計(jì)算過程較難收斂。本文以大型水動(dòng)力分析軟件OrcaFlex為平臺(tái)，建立了水下250 m低速流作用下潛標(biāo)水下布放的動(dòng)力學(xué)分析模型，并對(duì)比在各海況下、各工況下對(duì)其進(jìn)行模擬仿真比較。結(jié)合水動(dòng)力性能的計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)際布放工程給出了一些指導(dǎo)性建議。

1 水下布放過程理論基礎(chǔ)

1.1 海流理論的選擇

潛標(biāo)系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)分析是要以海流剖面為先決條件，故設(shè)計(jì)相宜的海流剖面數(shù)值是準(zhǔn)確計(jì)算的前提。為方便分析，對(duì)系統(tǒng)水下的工作環(huán)境前提和受載荷狀況進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化與假設(shè)。(1)因?yàn)橄到y(tǒng)工作期間標(biāo)體在水下百米處，海面海浪對(duì)其作用較小，僅對(duì)水下的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。(2)設(shè)定海流為平面線性流，無垂直分量，簡(jiǎn)化為二維問題解決。依據(jù)有關(guān)海流的記錄極值和工作狀態(tài)極值說明[1]，及系統(tǒng)在水下工作的周期，設(shè)定了250 m設(shè)計(jì)海流剖面分布如圖1。

1.2 線纜載荷計(jì)算

纜索采用凝集質(zhì)量模型[11]，即由多數(shù)無質(zhì)量的索元和索元中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)組成。將纜線從拖曳端開始離散到系留端共為N段索元，即共存在N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)。只計(jì)算索元的軸向和扭轉(zhuǎn)特性，將其模擬成軸向、旋轉(zhuǎn)彈簧與阻尼器的組合體。而節(jié)點(diǎn)匯集了兩個(gè)相鄰分段各一半的質(zhì)量，將各分段上的散布質(zhì)量效應(yīng)、外載荷等均分在纜索分段兩端的微元節(jié)點(diǎn)上。第i分段是指節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)i+1之間的直線彈性元，且每個(gè)分段內(nèi)張力大小相同，方向?yàn)樵撐⒍蔚那芯€方向，微段模型如圖2所示。

(1) 纜索張力凝集。

(1)

(2) 線纜重力(含浮力)凝集。

(2)

式中：k為Z方向單位矢量。

(3) 纜索微元阻力凝集。

在線纜的局部坐標(biāo)系下，海流施加在第i段線纜微元上產(chǎn)生的阻尼載荷，認(rèn)為全部凝聚在單元質(zhì)量點(diǎn)上，且該載荷包括切向阻尼力和法向阻尼力兩部分，則節(jié)點(diǎn)上凝集阻尼載荷可表示為

(3)

圖2 線纜微元段作用力示意圖Fig.2 Schematic diagram of force of the cable

1.3 潛標(biāo)、錨體的相關(guān)環(huán)境載荷

潛標(biāo)系統(tǒng)中潛標(biāo)在 OrcaFlex中都建模為相同參數(shù)六自由度(6D)柱型浮體，即設(shè)體積模量無窮大即浮體是不可壓縮的，浮體的受力包括重力、浮力、阻力、扭矩、附加質(zhì)量的作用。海床采用線性海床模型，海床接觸力包括法向的穿透阻力、切向的摩擦阻力與切向阻尼。穿透阻力要考慮海床的法向剛度和法向阻尼。OrcaFlex中將錨建模為相同參數(shù)的6自由度(6D)方形錨體。在錨體撞擊海床的過程中，將海床視為法向線性彈簧模型，海床摩擦阻力滿足庫倫摩擦力理論，本文取其與海底的摩擦系數(shù)μ為0.2。作用于標(biāo)體上的外力及力矩包含有浮力和重力產(chǎn)生的靜水回復(fù)力、纜索張力、海水水動(dòng)力及相對(duì)應(yīng)的的力矩構(gòu)成，即

F0=FW+FT+FH

(4)

M0=MW+MT+MH

(5)

式中：FW代表靜水回復(fù)力；FT代表纜繩張力；FH代表作用在標(biāo)體上的水動(dòng)力；M是對(duì)應(yīng)的力矩，在環(huán)境主要考慮海流的影響，相關(guān)力和力矩的計(jì)算參考文獻(xiàn)[12-13]；有關(guān)錨組件的相關(guān)計(jì)算參考相關(guān)文獻(xiàn)，本文不再贅述[1]。

2 潛標(biāo)水下布放過程動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.1 布放環(huán)境參數(shù)

本文選取以下的水流進(jìn)行研究。采用流函數(shù)法(Stream Function Order)為10，波高4.8 m，周期8 s；海流流速符合能量規(guī)律：由于海水運(yùn)動(dòng)中粘滯性對(duì)動(dòng)量的消耗，流動(dòng)隨深度的增大而減弱，豎直方向二維流速值為從海平面0.1 m/s至海床面為0.075 m/s。該工作海域水溫10 ℃，密度恒定值為1.025×103kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘滯率2.5%，根據(jù)實(shí)際工程情況選取水深為250 m的海域進(jìn)行模擬。拖體工作于海床上方100 m。海床法向剛度(kn)、切向剛度均為1 000 kN/m/m2；海床臨界阻尼系數(shù)(λc)為0。

2.2 模型建立

圖3 水下布放示意圖 Fig.3 Schematic diagram of the deployment

系統(tǒng)模型如圖3所示，主要包括潛標(biāo)主浮體(潛標(biāo)體)、主系留索、控制開釋及錨定系統(tǒng)等。布放過程采用錨標(biāo)同步布放：作業(yè)拖體(Submarine)在海床(Seabed)以上100 m以1.5 m的恒速直航15 s。一條50 m長(zhǎng)，半徑為0.04 m的拖曳線(Subline)延伸到拖體后面。線的遠(yuǎn)端連接著由布放器(Deployer)和連桿(Link)組成的釋放機(jī)構(gòu)，這些鏈路能釋放錨點(diǎn)。每個(gè)傳感器組包含定位錨(Anchor)，潛標(biāo)(Float)和傳感器線(Sensor)。在部署前傳感器線固定著潛標(biāo)和錨，并且牽引然后在部署時(shí)釋放。根據(jù)實(shí)際布放需要，鏈接潛標(biāo)和定位錨的傳感器線長(zhǎng)20 m，半徑均為0.05 m。線纜的密度為1.5 kg·m-1。纜線其他主要參數(shù)基本相同，見表1。線纜材料為鋼纜(wire rope)，拖曳索(Subline)的彎曲剛度EI為5 kN·m2；EA為軸向剛度，Cdτ、Cdn、Cbd、Caτ、Can、Cab分別是切向、法向、副法向阻力系數(shù)和切向、法向、副法向附加質(zhì)量系數(shù)。要注意的是由于錨體在本文設(shè)為6自由度，其翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)的上述系數(shù)會(huì)有所不同，在回轉(zhuǎn)情況時(shí)Caτ、Can、Cab均為0；Adτ、Adn、Adb分別為切向、法向、副法向阻力面積，錨體在本模型中均為1 m2。

建立如圖3所示模型，各主要模型參數(shù)也如表1～表3所示。

表1 線纜主要幾何參數(shù)表Tab.1 Main geometric parameters of the cable

表2 固定錨的主要物理及幾何參數(shù)表Tab.2 Main physical and geometric parameters of the fixed anchor

表3 潛標(biāo)的主要物理及幾何參數(shù)表Tab.3 Main physical and geometric parameters of the submerged buoy

3 仿真結(jié)果

在潛標(biāo)布放工程中，所要滿足的工程條件就是布放的精確性及系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。避免較大的布放誤差和過大的潛標(biāo)標(biāo)體震蕩、線纜的張力劇烈變化等不穩(wěn)定因素現(xiàn)象出現(xiàn)。仿真系統(tǒng)從不同海況及工況進(jìn)行潛標(biāo)水下布放的水動(dòng)力分析，為具體布放工程的方式選擇提供一些參考。

工作狀態(tài)，首先將系留索和浮標(biāo)從作業(yè)船拋入水中，浮標(biāo)和系留索入水后在船尾隨船當(dāng)拖曳索基本拉成一條線后，并于作業(yè)拖體行駛到預(yù)定位置(組件投放點(diǎn)，模型建立于15 s時(shí))依次釋放系統(tǒng)，利用系統(tǒng)自身重力定位于錨定點(diǎn)。潛標(biāo)體于35 s錨件上脫落，模擬時(shí)長(zhǎng)210 s。

圖4 錨的坐標(biāo)變化時(shí)域曲線Fig.4 Time-domain curve of coordinates of the anchor

模擬在穩(wěn)定低速橫流穩(wěn)定條件下的水下布放過程,作業(yè)船以1.5 m的速度直航，0～15 s為系統(tǒng)準(zhǔn)備階段，在T=15 s，x=0 m處進(jìn)行組件的投放，在T=45 s，組件投放30 s后標(biāo)體與錨體脫離。圖4～圖7分別給出錨體定位點(diǎn)坐標(biāo)曲線、標(biāo)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化曲線圖、全時(shí)域內(nèi)系留纜兩端張力變化圖和曲率沿纜長(zhǎng)方向時(shí)域變化圖。

圖5 潛標(biāo)姿態(tài)時(shí)域變化曲線Fig.5 Time-domain curve of attitude changes of the buoy

圖6 系泊纜兩端張力變化曲線Fig.6Time-domaincurveoftensionatbothendsofthemooringline圖7 曲率標(biāo)準(zhǔn)差值沿纜長(zhǎng)分布曲線Fig.7Distributioncurveofcurvaturestandarddeviationalongthelinelength

由圖4可知，在組件隨拖體運(yùn)動(dòng)期間保持和脫體相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，組件投放后，下落過程由于慣性的影響，組件短暫的向前運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間(約為1.6 s)會(huì)逐漸向負(fù)方向位移一小段距離(約為0.5 m)。這是因?yàn)橄到y(tǒng)所受的法向阻力和大于切向阻力，但是由于X方向海水阻尼的作用，其水平方向的速度基本減小至零并且達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)，故整個(gè)下落期間避免常了規(guī)標(biāo)錨法使纜索發(fā)生輪形變化產(chǎn)生過大的輪滑效應(yīng)[6]從而改變錨的運(yùn)動(dòng)軌跡；錨地后，在彈性海床和上端標(biāo)體的聯(lián)合作用下，錨會(huì)發(fā)生微小位移并之后逐漸恢復(fù)。最終組件于t=48 s，X=22 m附近錨地，即錨位超前投放點(diǎn)22 m。Y方向上變化過程與水平方向變化規(guī)律相似。在拖曳期間由于流的慣性力、阻力和拖曳索拖曳力相互作用下，Y方向偏轉(zhuǎn)約0.65 m，布放過程中同樣避免了過激的輪滑效應(yīng)而是簡(jiǎn)單的線性位移，最終于t=55 s，Y=3.5 m附近錨地。

圖8 潛標(biāo)受力示意圖Fig.8 Force diagram of the buoy

圖5直觀描述潛標(biāo)姿態(tài)變化情況，橫坐標(biāo)是工作時(shí)間，單位：s，縱坐標(biāo)是姿態(tài)方位，單位(°)。為了方便描述，必須定義所要使用的幾個(gè)概念和局部坐標(biāo)系[14]。前后方向用x軸定義，潛標(biāo)上指向?yàn)槌跏嘉恢脮r(shí)與航向相同的方向；y軸與x軸共處一個(gè)平面內(nèi)；z軸垂直xy平面并且指向向上，繪制如圖8所示的坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為系留點(diǎn)。潛標(biāo)體繞各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)分別定義為傾斜(橫滾)、俯仰、方位變化(航向、指向)。依照現(xiàn)實(shí)工作階段，將整個(gè)布放工序分為3個(gè)階段進(jìn)行：

(1)標(biāo)體隨組件在拖曳索牽引下隨拖體運(yùn)動(dòng)階段；

(2)布放開始至錨觸地階段；

(3)標(biāo)體姿態(tài)變化逐漸穩(wěn)定并開始工作階段。

在標(biāo)體隨拖體運(yùn)動(dòng)至脫離錨端階段，即0～45 s時(shí)間段內(nèi)，方位中心最值分別為-0.5°和0.7°，變化周期不明顯，周期變長(zhǎng)，軸向偏轉(zhuǎn)速率穩(wěn)定，如圖5所示，分析認(rèn)為是由于組件受海流及微小浪影響及拖體自身的周期的幅度的震動(dòng)的影響，而在標(biāo)體工作階段由于軸向回復(fù)力矩小，僅由標(biāo)體海水阻尼力矩提供，其回復(fù)周期很長(zhǎng)，軸向偏轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定。如圖5所示，潛標(biāo)在這一期間，傾斜和俯仰方向變化較為有規(guī)律，圍繞一固定值，且變化幅值在不斷縮小，變化周期同樣5 s左右，認(rèn)為是和上述造成方位變化相同的震動(dòng)因素及標(biāo)體邊界條件引起的；由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的影響，經(jīng)2 s后的相對(duì)靜止旋轉(zhuǎn)期間后開始向相反方向調(diào)整；經(jīng)約20 s的回復(fù)周期后趨于緩和，對(duì)應(yīng)標(biāo)體自由漂浮階段；在錨纜張開后錨塊下沉間，開始受錨纜的拉力作用，方位變化相對(duì)產(chǎn)生規(guī)律。標(biāo)體下沉產(chǎn)生的慣性使系留索松弛，方位變化增大，下沉上浮存在一個(gè)震蕩周期，并且向著平衡方位逐漸遞進(jìn)。從圖可以看出在錨纜張開前這段時(shí)間俯仰變化穩(wěn)定周期性變化并且幅值逐漸減小，在第43 s開始發(fā)生錨纜張開，潛標(biāo)受到較大的拉力作用，從漂浮狀態(tài)變?yōu)榈撞渴芾?，俯仰方位變化較大。且同樣在錨塊觸底后，慣性作用下持續(xù)下沉，底部拉力消失變?yōu)樽杂善顟B(tài)，俯仰變化較大。圖6同步驗(yàn)證了上述規(guī)律。在潛標(biāo)姿態(tài)逐漸穩(wěn)定階段內(nèi)，各個(gè)方向上的姿態(tài)變化較為平穩(wěn)，這是由于在此期間海況穩(wěn)定，柱形潛標(biāo)主要受纜索的回復(fù)力矩M、纜索拉力、扭力和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的海流阻力和慣性力的聯(lián)合作用。

由圖6可見，整個(gè)布放期間，兩端張力隨時(shí)間變化規(guī)律基本保持一致，在拖曳索牽引時(shí)，系留索基本不受兩端載荷，系留索兩端的張力相同幾乎為零。布放后直至潛標(biāo)脫離錨體之前這段時(shí)間，兩端存在穩(wěn)定的較小張力，避免了標(biāo)錨法布放過程中線纜由于錨體自由下落的作用，有效張力不斷增加的不利影響。錨觸底瞬間，錨與海床瞬間撞擊使得撓性系留索瞬間松弛，兩端的有效張力瞬間減小呈“負(fù)張力”，接著標(biāo)體上浮使得系留索瞬間拉直造成張力值驟增至最大，并且在之后的一段時(shí)間張力值都會(huì)出現(xiàn)周期同樣約為3s的震蕩式變化，且震蕩幅度同樣逐漸減小，最終在海床法向阻尼作用下最終趨于穩(wěn)定。

由圖7可見，整個(gè)布放過程中，系留纜繩的曲率標(biāo)注差值較有規(guī)律(最大值約為0.5)，曲率最大值出現(xiàn)在纜線中間即標(biāo)體未脫離錨而共同自由下落的過程中出現(xiàn)，故對(duì)中段的材料給予重視。

4 參數(shù)敏感性分析

4.1 布放深度的影響

分析布放深度對(duì)工程結(jié)果的影響，實(shí)際是分析波浪對(duì)實(shí)際布放的影響效果。選取拖體工作深度D分別取150 m(波浪影響因子極小忽略不計(jì))、60 m(存在波浪影響)和30 m(波浪影響較大)，波浪方向與海流方向相同。對(duì)工程前兩過程進(jìn)行分析比較，結(jié)果如圖9～圖12和表4所示。表中，Ta代表錨的觸地時(shí)刻，Xa表示錨的X坐標(biāo)，Ya表示錨的Y坐標(biāo)，θamax、θbmax和θcmax分別為潛標(biāo)姿態(tài)變化角度的最值，單位為(°)，ωamax、ωbmax和ωcmax分別為潛標(biāo)姿態(tài)變化速度的最值單位為rad/s，F(xiàn)1max、F2max分別為纜索錨固端和潛標(biāo)端的有效張力的最值，單位為kN，ρmax代表沿纜長(zhǎng)方向曲率標(biāo)準(zhǔn)差最大值，單位為rad/m。表中數(shù)據(jù)不計(jì)方向，均取正值。

圖9 不同深度布放錨體位移時(shí)域變化曲線Fig.9 Time-domain curve of displacement of anchors with different depths

從圖和表中可知，減小布放深度時(shí)，X方向上錨超前運(yùn)動(dòng)的距離小幅增加，Y方向上偏移量也增加，并且偏移速度也隨之增大。F1max、F2max小幅增加，其他位置的張力最值基本不變；圖中在載荷激勵(lì)作用下的潛標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化是：俯仰的姿態(tài)變化規(guī)律較為明顯，曲線圍繞著無波浪激勵(lì)作用時(shí)(深度為150 m布放)的姿態(tài)變化曲線上下波動(dòng)，且當(dāng)波浪激勵(lì)作用越明顯(工作環(huán)境越靠近水面)時(shí)，波動(dòng)幅度越大其最值甚至可以達(dá)到后者的2倍之多；而傾斜和方位變化劇烈程度一般(傾斜和方位變化的最值出現(xiàn)在觸底，此處不予討論觸底瞬間)，這是沿Y軸方向的來流不是產(chǎn)生繞Z軸和X軸的傾角變化的主要原因；尤其注意在改變布放深度因素，各參數(shù)并不是完全隨著深度的增加而減小，最優(yōu)的參數(shù)布放深度還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。改變工程深度時(shí)，姿態(tài)變化周期不發(fā)生改變，所以同樣，潛標(biāo)姿態(tài)變化速度規(guī)律同姿態(tài)變化相似，另外姿態(tài)變化在下沉的過程中劇烈程度逐漸變緩；錨接觸海床后，波動(dòng)逐漸減小，這是因?yàn)椴ɡ酥饕饔迷谏蠈雍Ｃ嫔稀⒑Ａ魉俣纫?guī)律滿足線性規(guī)律亦隨著深度的增加而減小，所以兩者的合作用對(duì)系統(tǒng)的作用逐漸減弱。由圖11、圖12可知，布放深度對(duì)纜長(zhǎng)方向曲率變化影響較小。

圖10 不同深度布放潛標(biāo)姿態(tài)時(shí)域變化曲線Fig.10 Time-domain curve of attitude changes of the buoy with different depths

H(m)ta(s)Xa(m)Ya(m)θamaxθbmaxθcmaxωamaxωbmaxωcmaxF1maxF2max15048.820.53.50.7121.56.910.215.320.9917.216.86093.221.87.20.6923.72.920.2316.840.9819.819.730186.522.816.30.9821.97.70.5219.330.9422.321.5

圖11 不同深度布放兩端張力變化圖Fig.11Variationoftensionatbothendsofthelinewithdifferentdepths圖12 不同深度布放曲率標(biāo)準(zhǔn)差沿纜長(zhǎng)分布圖Fig.12Distributioncurveofcurvaturestandarddeviationalongthelinelengthwithdifferentdepths

4.2 速度的影響

圖13 不同航速布放的錨坐標(biāo)時(shí)域變化曲線Fig.13 Time-domain variation curve of anchor coordinates at different deployment speeds

作業(yè)拖體沿著X正方向運(yùn)動(dòng)，為系統(tǒng)提供了初始X方向的運(yùn)動(dòng)初速度矢量，橫向流(Y軸正方向)則為系統(tǒng)提供了偏移速度，在探究速度對(duì)系統(tǒng)受力影響時(shí)，忽略波浪的影響。圖13～圖16以及表5分別列出了僅改變船速為1.5 m/s、0.5 m/s和2.5 m/s和僅改變海面流速為0.1 m/s、0.5 m/s和1 m/s時(shí)的模擬結(jié)果。結(jié)果可見，初始布放速度的改變會(huì)改變錨位與投放點(diǎn)的水平距離，布放初速度越大，X方向超前距離越大且?guī)缀醭烧仍龃?。?dāng)速度每增加1 m/s時(shí)，Y方向上的偏移會(huì)小幅度增加(增幅約為5%)。當(dāng)深度、橫流方向一定，不同初始布放速度下，潛標(biāo)在布放階段的三方位姿態(tài)變化不明顯，其偏轉(zhuǎn)角度和最大偏轉(zhuǎn)速度幾乎沒有受到影響，但是在錨地后的穩(wěn)定階段，繞Z軸的旋轉(zhuǎn)不管是方向或是偏轉(zhuǎn)速度卻都會(huì)出現(xiàn)區(qū)別。從圖和表中可見，初始布放速度的變化對(duì)系泊索兩端張力不產(chǎn)生影響；低航速布放時(shí)速度變化不影響纜長(zhǎng)方向的曲率最大值且都出現(xiàn)在纜線中段，但是當(dāng)航速提高到一定時(shí)，纜繩全長(zhǎng)范圍內(nèi)的曲率值都在增加，這是因?yàn)橄到y(tǒng)與海流的相對(duì)速度增大到一定值時(shí)，纜繩流阻力增加，而標(biāo)體和錨體還互相固定，纜繩幾成張緊彎折狀態(tài)。

圖14 不同航速布放的潛標(biāo)姿態(tài)變化時(shí)域變化曲線Fig.14 Time-domain curve of attitude changes of the buoy at different deployment speeds

V(m/s)ta(s)Xa(m)Ya(m)θamaxθbmaxθcmaxωamaxωbmaxωcmaxF1maxF2max0.548.29.13.21.1514.18.700.6310.031.4717.216.81.548.821.83.50.8121.96.580.4113.950.8917.016.82.549.535.43.70.4226.21.740.2314.230.2916.916.7

如圖17～圖20可知，而當(dāng)橫流方向上的流速依次增大時(shí)，Y方向上的錨地點(diǎn)發(fā)生Y正方向上的偏移，且迎流面速度的增加直接造成流阻力系數(shù)的增大從而造成流阻力載荷作用明顯，標(biāo)體下端邊界條件受系留索束縛，上端呈自由邊界狀態(tài)，故造成潛標(biāo)俯仰方向姿態(tài)穩(wěn)定性受到破壞，θbmax、ωbmax變大。其他模擬結(jié)果基本不受流速影響。

圖15 不同布放速度的兩端張力時(shí)域變化曲線Fig.15Time-domaincurveoftensionatbothendsofthelineatdifferentdeploymentspeeds圖16 不同布放速度的曲率標(biāo)準(zhǔn)差沿纜長(zhǎng)方向變化曲線Fig.16Distributioncurveofcurvaturestandarddeviationalongthelinelengthatdifferentdeploymentspeeds圖17 不同流速布放錨坐標(biāo)時(shí)域變化曲線Fig.17Time-domaincurveofanchorcoordinatesatdifferentcurrentvelocities

圖18 不同流速布放標(biāo)體姿態(tài)時(shí)域變化曲線Fig.18 Time-domain curve of attitude changes of the buoy at different current velocities

V(m/s)ta(s)Xa(m)Ya(m)θamaxθbmaxθcmaxωamaxωbmaxωcmaxF1maxF2max0.148.822.53.50.7121.18.620.4812.960.9517.216.80.548.922.517.23.3520.929.14.6312.844.5517.316.71.049.122.829.35.7220.938.55.8213.338.5417.316.5

圖19 不同流速兩端端張力時(shí)域變化曲線Fig.19Time-domaincurveoftensionoftheanchoratdifferentcurrentvelocities圖20 不同橫流速的曲率標(biāo)準(zhǔn)差沿纜長(zhǎng)方向時(shí)域變化曲線Fig.20Time-domaincurveofcurvaturestandarddeviationalongthelinelengthatdifferentcurrentvelocities

4.3 布放方向與流向夾角的影響

實(shí)際工作環(huán)境海域中，系統(tǒng)初速度方向與流向之間的夾角變化必然使得系統(tǒng)受到作用出現(xiàn)明顯變化。對(duì)此，深水布放忽略波浪作用，其他條件一定，分別選取夾角分別為0°、90°、180°三個(gè)方向進(jìn)行分析。

結(jié)合表7和圖21～圖24觀察可知，夾角的變化對(duì)于錨定點(diǎn)位置的影響較大，0°、45°、90°、135°、180°下的X方向超前運(yùn)動(dòng)依次減小，反向時(shí)，系統(tǒng)與來流相對(duì)速率最大，切向速度與法向速度的差值最大。系統(tǒng)從拖曳線自動(dòng)釋放后，滑輪現(xiàn)象最為明顯；系統(tǒng)從Y方向偏移量先增大再減小，這是由于流體實(shí)際作用阻尼在90°是最值的原因。

圖21分別為不同初速度方向和流向夾角情況下潛標(biāo)姿態(tài)變化情況，結(jié)合表7可見，在流速較低的情況下，當(dāng)流向逐漸向速度方向垂直過程中，潛標(biāo)下邊界始終受到纜線軸向張力束縛，軸向張力與下端界面法向阻尼、升力動(dòng)態(tài)抵消，俯仰姿態(tài)不發(fā)生明顯變化，并且之后逐漸浮力與張力平衡，俯仰姿態(tài)達(dá)到穩(wěn)定。在流向逐漸向初始速度方向垂直過程中，來流速度一定時(shí)，海流作用在潛標(biāo)體上的海流力分解成的法向阻力逐漸增加和切向阻力逐漸減小，故在此過程中，傾斜姿態(tài)變化逐漸加劇，θamax、ωamax在橫流時(shí)達(dá)到最值；由于纜繩下端系留點(diǎn)不在中心，纜繩作用在標(biāo)體的回復(fù)力矩、扭力和海水動(dòng)力和相應(yīng)力矩在X方向上相互影響，動(dòng)態(tài)載荷相互抵消，由于在相對(duì)速度恒定的情況下，切向水動(dòng)力逐漸減小，標(biāo)體切向載荷減小，方位變化減弱，θcmax、ωcmax于橫流時(shí)最小。并且由于初始系留索對(duì)下界面的扭力矩的作用下，在纜繩扭矩方向與水動(dòng)力矩方向一致(迎流布放)時(shí)，θcmax、ωcmax達(dá)到最大值，方位變化最為劇烈，此時(shí)對(duì)潛標(biāo)的姿態(tài)穩(wěn)定要求和纜繩抗扭要求最高。在流速變大時(shí)，上述特征表現(xiàn)得更加明顯。由圖24可見，流速、流向?qū)ο盗羲鲀啥藦埩颓恃乩|長(zhǎng)的改變幾乎沒有影響。

圖22 不同流向布放階段潛標(biāo)姿態(tài)時(shí)域變化曲線Fig.22 Time-domain curve of attitude changes of the buoy at different current directions

A(°)ta(s)Xa(m)Ya(m)θamaxθbmaxθcmaxωamaxωbmaxωcmaxF1maxF2max051.125.50022.100.046.960.0317.216.84551.124.12.50.5922.254.636.840.6317.216.79051.223.33.50.7822.16.855.827.030.9517.216.813551.119.42.50.5122.14.124.566.990.5917.116.818051.218.70022.000.037.000.0217.216.8

圖23 不同流向時(shí)兩端張力時(shí)域變化曲線Fig.23Time-domaincurveoftensionoftheanchoratdifferentcurrentdirections圖24 不同流向時(shí)曲率標(biāo)準(zhǔn)差沿纜長(zhǎng)方向時(shí)域變化曲線Fig.24Time-domaincurveofcurvaturestandarddeviationalongthelinelengthatdifferentcurrentdirections

4.4 彎曲剛度影響

線纜的材料對(duì)系統(tǒng)工況會(huì)產(chǎn)生影響，為探究彎曲剛度對(duì)布放過程的結(jié)果影響，本文選取系留索的彎曲剛度分別為0、102kN·m2和102kN·m2三種剛度值。圖25～圖28和表8給出三種情況下的計(jì)算結(jié)果。

圖25 不同系留索彎曲剛度錨坐標(biāo)時(shí)域變化曲線Fig.25 Time-domain curve of anchor coordinates with different bending stiffnesses

如圖25所示，當(dāng)考慮了系留索的彎曲剛度后，橫流作用下，系統(tǒng)觸地時(shí)間、錨落地點(diǎn)超前距離無明顯改變，但是當(dāng)剛度增加到一定值(1 000 kN·m)時(shí)，觸地偏移距離會(huì)變小，這是由于此類特定的布置法使得系統(tǒng)在整個(gè)過程中都是一個(gè)整體，超前距離不存在應(yīng)剛性管線彎曲變形程度改變而產(chǎn)生系統(tǒng)布放定位大偏差，但是橫流作用下，剛性線纜幾成直線狀態(tài)而在Y方向上偏移速度減小。從圖26可知，由于剛性線不易彎曲、彎曲變形后產(chǎn)生的力矩會(huì)急劇增大，剛性管線對(duì)潛標(biāo)布放過程中的三個(gè)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)性都會(huì)產(chǎn)生劇烈影響，且剛度越大，標(biāo)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化越劇烈，也就是標(biāo)體穩(wěn)定性越低，并且在拖曳時(shí)期的的姿態(tài)變化加劇。注意到，在系統(tǒng)布放下落過程中，剛性纜繩構(gòu)件減小了錨體與彈性海床的撞擊影響，所以在錨觸地瞬間系留索產(chǎn)生的交替式張緊-松弛效應(yīng)得到減弱，系留索兩端張力最大值隨著剛性增大而減小，但是考慮剛度后，全程張力變化頻繁，這點(diǎn)在坐標(biāo)曲線和潛標(biāo)姿態(tài)變化圖均有體現(xiàn)，系留索兩端張力最值出現(xiàn)在隨船拖曳階段而不是標(biāo)錨分離纜繩張緊瞬間；并且穩(wěn)定狀態(tài)的張力值也同樣略微降低。另外剛性纜繩也大大降低了系留索全長(zhǎng)方向的曲率變化激烈程度。

圖26 不同系留索彎曲剛度潛標(biāo)姿態(tài)時(shí)域變化曲線Fig.26 Time-domain curve of attitude changes of the buoy with different bending stiffnesses

EIta(s)Xa(m)Ya(m)θamaxθbmaxθcmaxωamaxωbmaxωcmaxF1maxF2max048.822.63.500.7120.78.70.4811.960.5517.216.810048.622.03.5098.265.316234.768.423.912.612.3100047.322.72.8261388.7119658419336418.98.5

圖27 系留索剛度不同時(shí)兩端張力時(shí)域變化曲線Fig.27Time-domaincurveoftensionoftheanchorwithdifferentbendingstiffnesses圖28 系留索剛度不同時(shí)曲率標(biāo)準(zhǔn)差沿纜長(zhǎng)方向分布曲線Fig.28Distributioncurveofcurvaturestandarddeviationalongthelinelengthwithdifferentbendingstiffnesses

5 結(jié)論

潛標(biāo)系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)和水下布放效果會(huì)很大程度受到布放過程中水動(dòng)力性能的影響，基于對(duì)此新型布放法的時(shí)域模擬結(jié)果和分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)在作業(yè)拖體的作用下，系統(tǒng)在投放后的順勢(shì)橫向位移主要取決于其拖曳階段的運(yùn)動(dòng)速度也就是航行速度及航向和流向之間的夾角有關(guān)，而其他因素的改變對(duì)橫向定位影響較??；縱向定位主要取決于水流的橫向載荷及系統(tǒng)自由下落的時(shí)間，另外，相同條件下，彎曲剛度的增加會(huì)輕微減少下落的時(shí)間從而減小縱向偏移。因此，潛標(biāo)系統(tǒng)的定位主要由作業(yè)船的運(yùn)動(dòng)決定。

(2)橫向布放過程中，影響標(biāo)體姿態(tài)變化的因素很多：不同作業(yè)水深對(duì)潛標(biāo)的傾斜、方位變化不明顯，但在某一水深處標(biāo)體會(huì)產(chǎn)生較明顯的俯仰變化，猜想是潛標(biāo)在此時(shí)受流速和作業(yè)船速共同激勵(lì)下發(fā)生某種共振而造成的；低速橫流下，作業(yè)船速度降低之后，此時(shí)的共振現(xiàn)象愈明顯，潛標(biāo)姿態(tài)穩(wěn)定性越差。故水下布放的工程速度并不是越低越好，若低于某一值后，反會(huì)傷害系統(tǒng)穩(wěn)定性；其他條件一定時(shí)，工作環(huán)境流速的增加對(duì)標(biāo)體姿態(tài)變化尤其是方位變化影響較大，流速越大，后者越不穩(wěn)定，建議低流速環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)；若計(jì)入系留索剛度后，在纜繩的強(qiáng)大力矩作用下，潛標(biāo)姿態(tài)變化完全超出其所搭載的儀器設(shè)備的安全和工作要求，故建議系留索采用柔性纜繩。此外，航向與流向的夾角的改變會(huì)影響到潛標(biāo)的姿態(tài)變化，但不超過其姿態(tài)變化要求。

(3)布放過程中，系留索的張力峰值在錨觸地后到達(dá)峰值，在其他時(shí)間內(nèi)張力較小，錨固端的張力始終大于潛標(biāo)端；除系留所本身的剛度外的因素對(duì)線纜張力影響都很小，在計(jì)入線纜彎曲剛度后，系留索的張力整體降低，觸地時(shí)間略微微減小。系留索的曲率變化在中段變化最為劇烈，故在線纜中段要進(jìn)行抗扭加強(qiáng)；但在剛性材料力矩作用下，其變化程度有明顯減弱，但綜合第二條結(jié)論考慮，仍建議系留索采用中段抗扭加強(qiáng)的柔性纜繩材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]王明午.海洋潛標(biāo)系統(tǒng)的靜力分析和姿態(tài)計(jì)算[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào), 2001, 20(4):41-47.

WANG M W. Static Analysis and Attitude Calculation of Marine Submersible Buoy System[J].Journal of Ocean Technology, 2001, 20(4):41-47.

[2]863計(jì)劃海洋領(lǐng)域海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)(818)主題辦公室.海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)及其衛(wèi)星-浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)[C]//世紀(jì)初海洋監(jiān)測(cè)高新技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)論文集.北京：海洋出版社,2000:13-19.

[3]王婷.國外海洋潛標(biāo)系統(tǒng)的發(fā)展[C]// 中國聲學(xué)學(xué)會(huì)水聲學(xué)分會(huì).2011年全國水聲學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.上海:聲學(xué)技術(shù),2011:324-326.

[4]楊永春，張會(huì)杰, 田偉輝,等.海流作用下潛標(biāo)-系留系統(tǒng)耦合動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 31(3):1-5.

YANG Y C,ZHANG H J,TIAN W H, et al.Experimental Research on the Coupling Dynamic Characteristic of Submersible Buoy-Mooring System under the Ocean Current[J].Journal of Ocean Technology,2012, 31(3):1-5.

[5]楊坤漢，王明午.繃緊型單點(diǎn)錨定潛標(biāo)系統(tǒng)布放回收操作方法[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào), 1989(1):51-69.

YANG K H,WANG M W.Approach of Deployment/Reeovery for A Single-Point Taut Subsurface Mooring System[J].Journal of Ocean Technology, 1989(1):51-69.

[6]張洋，朱克強(qiáng).海洋潛系統(tǒng)布放動(dòng)力學(xué)分析[J]. 船舶工程, 2014(2):111-114.

ZHANG Y, ZHU K Q. Dynamic Analysis of Deployment of Oceanographic Subsurface Buoy System[J]. Ship Engineering, 2014(2):111-114.

[7]葛德宏, 朱海, 高大遠(yuǎn),等.深海潛標(biāo)布放運(yùn)動(dòng)與定深控制策略研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2016, 38(13):87-90.

GE D H,ZHU H,GAO D Y, ea al. Research on laying motion simulation and depth control of deep-sea submerged buoy[J]. Ship Science and Technology,2016, 38(13):87-90.

[8]倪佐濤, 姜靜波, 徐永平,等.一種適用于石油平臺(tái)的有纜潛標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布放方法[J]. 海洋科學(xué), 2012, 36(12):81-83.

NI Z T, JIANG J B, XU Y P, et al. A design and deployment of mooring wired-buoy system for offshore jacket platform[J]. Marine Sciences, 2012,36(12):81-83.

[9]Chang Z Y,Tang Y G,Li H J,et al. Analysis for the Deployment of Single-Point Mooring Buoy System Based on Multi-Body Dynamics Method[J]. China Ocean Engineering ,2012, 26(3):495-506.

[10]Zheng Z Q, Dai Y, Gao D X, et al. Dynamics of Deployment for Mooring Buoy System Based on ADAMS Environment[J]. Advanced Materials Research, 2013, 819:328-333.

[11]朱克強(qiáng), 李道根, 李維揚(yáng),等. 海洋纜體系統(tǒng)的統(tǒng)一凝集參數(shù)時(shí)域分析法[J]. 海洋工程, 2002, 20(2):100-104.

ZHU K Q, LI D G, LI W Y, et al. Lumped-parameter analysis method for time-domain of ocean cable-body systems[J]. Ocean Engineering, 2002, 20(2):100-104.

[12]黃志. 福建沿海船舶事故的灰色關(guān)聯(lián)分析[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 27(1):21-25.

HUANG Z. Grey Incidence analysis on maritime accidents along Fujian coast[J]. Journal of Shanghai Maritime University, 2006,27(1):21-25.

[13]范中洲, 吳兆麟, 張闖,等. 基于可拓理論的船舶定線制應(yīng)用研究[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 39(1):43-45.

FAN Z Z, WU Z L, ZHANG C, et al. Application research of extension set theory in ship′s routing [J]. Journal of Dalian Maritime University, 2013, 39(1):43-45.

[14]侯廣利, 張穎, 孫繼昌,等. 一種潛標(biāo)的水下姿態(tài)變化規(guī)律分析[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào), 2010, 29(3):38-43.

HOU G L, ZHANG Y, SUN J C, et al. Analysis of Attitude Variation for Submersible Buoy System[J]. Ocean Technology, 2010, 29(3):38-43.