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水下拖曳体不同参数下的释放过程数值仿真研究

田一伟 吕瑞 王梦豪 李魁 张凯 王雷雷

田一伟, 吕瑞, 王梦豪, 等. 水下拖曳体不同参数下的释放过程数值仿真研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0072
引用本文: 田一伟, 吕瑞, 王梦豪, 等. 水下拖曳体不同参数下的释放过程数值仿真研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0072
Tian Yiwei, LV Rui, Wang Menghao, Li Kui, Zhang Kai, Wang Leilei. Numerical Simulation Study on the Release Process of Underwater Towed Bodies under Different Parameters[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0072
Citation: Tian Yiwei, LV Rui, Wang Menghao, Li Kui, Zhang Kai, Wang Leilei. Numerical Simulation Study on the Release Process of Underwater Towed Bodies under Different Parameters[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0072

水下拖曳体不同参数下的释放过程数值仿真研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0072
详细信息
    作者简介:

    田一伟(2000-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下航行器数值模拟技术

  • 中图分类号: TJ630; TB71.2

Numerical Simulation Study on the Release Process of Underwater Towed Bodies under Different Parameters

  • 摘要: 水下拖曳体是水下航行器的重要部件, 为满足其拖缆设计及释放过程中姿态稳定的需求, 文中开展了相关研究。首先, 采用重叠网格技术与可实现的$k - \varepsilon $湍流模型, 构建拖曳体流体动力学模型, 并对其释放过程进行非定常数值仿真; 随后, 通过试验结果验证了网格划分与数值方法的有效性。在此基础上研究进一步系统分析了三大关键因素对水下拖曳体释放过程的影响规律, 仿真结果表明: 拖曳速度影响拖曳体的稳定时间与姿态稳定过程, 需根据拖曳体结构确定最佳拖曳速度; 重浮心位置对拖曳体释放动力学特性作用显著, 重心前移设计可减小拖曳体振荡、提升系统稳定性, 且重心与浮心接近时, 拖曳体姿态调整时间更短、运动更平稳; 拖曳点应选在拖曳体头部下方, 以减小释放过程中俯仰角的变化、提高释放稳定性。研究结果为水下拖曳体的工程设计与释放策略提供了重要理论依据。

     

  • 图  1  拖曳体几何模型

    Figure  1.  Geometric model of towed body

    图  2  拖曳体释放过程

    Figure  2.  Release process of toed body

    图  3  计算流域总体网格

    Figure  3.  Overall grid of the computational domain

    图  4  重叠部分及拖曳体表面局部网格

    Figure  4.  Overlapping regions and local grid on the surface of the towed body

    图  5  背景区域边界设定

    Figure  5.  Boundary settings of the background region

    图  6  重叠区域边界设定

    Figure  6.  The boundary setting of the overlapping area

    图  7  拖曳体受力分析

    Figure  7.  Force analysis of the towed body

    图  8  4 kn航速下拖曳体俯仰角数值仿真结果

    Figure  8.  Numerical simulation results of the pitch angle of the towed body at a speed of 4 knots

    图  9  4 kn航速下拖曳体俯仰角数值仿真结果与试验数据对比

    Figure  9.  Comparison of numerical simulation results and test data of the pitch Angle of the towed body at a speed of 4 kn

    图  10  不同拖曳速度下拖曳体俯仰角变化情况

    Figure  10.  Variation of the pitch angle of the towed body under different towing speeds

    图  11  2 kn拖曳速度下拖曳体俯仰角局部变化情况

    Figure  11.  Local variation of the pitch angle of the towed body under 2 kn towing speed

    图  12  不同工况下拖曳体俯仰角变化情况

    Figure  12.  Variation of the pitch angle of the towed body under different working conditions

    图  13  不同重心横坐标下拖曳体稳定状态速度云图

    Figure  13.  Velocity contour of the towed body in steady state under different horizontal coordinates of the center of gravity

    图  14  不同拖曳点位置下拖曳体俯仰角变化情况

    Figure  14.  Variation of the pitch angle of the towed body under different positions of towing points

    图  15  不同拖曳点位置下拖曳体稳定状态速度云图

    Figure  15.  Velocity contour of the towed body in steady state under different positions of towing points

    表  1  拖曳体结构参数

    Table  1.   Structural parameters of towed body

    参数名称 数值 单位
    质量 6.928 kg
    总长 540 mm
    中段直径 170 mm
    x方向浮心位置 0.243 8 m
    y方向浮心位置 0 m
    z方向浮心位置 0 m
    x方向转动惯量 0.028 435 kg/m2
    y方向转动惯量 0.107 598 kg/m2
    z方向转动惯量 0.106 637 kg/m2
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    表  2  不同网格数量下拖曳体稳态阻力与升力大小

    Table  2.   The steady-state resistance and lift force of the towing body under different grid numbers

    表面网格尺寸/mm网格总数水平阻力/N竖直升力/N
    10188 97533.7721.36
    5283 44534.2121.19
    3986 96432.7922.00
    21 902 17632.9621.84
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    表  3  4 kn航速下拖曳体俯仰角数值仿真误差

    Table  3.   Numerical simulation error of the pitch angle of the towed body at a speed of 4 knots

    名称仿真结果试验数据误差/%
    平均值56.55859.1884.44
    中位数56.42059.1564.63
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    表  4  改变重心位置的不同工况参数

    Table  4.   Different working condition parameters for changing the position of the center of gravity

    工况 重心横坐标/m $\Delta X/L$ 备注
    1 0.043 8 0.08 重心位于浮心前方
    2 −0.006 2 −0.01 重心与浮心基本重合
    3 −0.056 2 −0.10 重心位于浮心后方
    4 −0.106 2 −0.29 重心位于浮心后方, 且间距更大
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    表  5  改变拖曳点位置的不同工况参数

    Table  5.   Different working condition parameters with changed towing point positions

    工况拖曳点横坐标/m$\alpha $/°
    10.231 830.82
    20.218 845.10
    30.201 859.61
    40.191 867.16
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-05-26
  • 修回日期:  2025-06-16
  • 录用日期:  2025-06-24
  • 网络出版日期:  2025-11-24

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