一种自适应变特征尺寸的阻力伞设计

朱张立 赵林建

（第七一五研究所，杭州，310023）

1 实际需求

线列接收阵在水下拖曳工作时需要保持比较平直的阵形姿态，以获得应有的空间增益[1]。由于拖曳线列阵在长度方向上不是均匀的零浮力，低速拖曳时作用在线阵上的流体阻力较小，使线阵在垂直面内呈S形，同时低速时容易受舰船机动或洋流影响，在水平面也并非平直。因此，需要在拖曳线列阵尾部挂载阻力结构，产生较大的拉力把线阵拉直，以满足拖曳线列阵在低速时的阵形要求。

阻力结构工程应用中的阻力：

式中，ρ为流体密度，v为流体速度，Cd为阻力系数，S为尾部阻力模块的特征尺寸。现有大多采用绳索式阻力结构，工程应用中阻力系数和引流面可认为是一个定值，阻力系数较小，3 kn速度时阻力为100 N，30 kn速度时其阻力增加到约10 000 N。为了在低速下获得较大的阻力，必须增加尺寸，比如增加阻力结构的长度和直径，但阻力与速度平方成正比，高速拖曳时，这种阻力结构产生的过高阻力给线列阵的强度和安全性带来负面影响，所以必须研制具有变特征尺寸能力的阻力结构。即低速时，阻力结构的特征尺寸较大，可以给线阵施加较大的拉力；速度增加时特征尺寸下降，使其阻力增加量尽可能少。此外，设计阻力结构时还要考虑释放和回收的便捷性，以及自身的拖曳稳定性。

2 基本理论

根据上述要求，设计了一种阻力伞式的阻力结构，利用压簧作为实现变特征尺寸的自适应结构，压簧可根据实际需求选用相应的硬度和规格[2]。如图1所示，阻力伞主要构件有阻力板、中轴、骨架、滑辐、压簧。

图1 阻力伞模型

图2 二维简化模型

图2为简化后的二维模型，OQ为中轴，OM为阻力板，PM为骨架，P为滑辐，PQ为弹簧，弹性系数为k。O、M、P为铰连接。MOP夹角为α，OPM夹角为β。OM长度l1，PM长度l2，为定值。弹簧初始长度x，受压后变化为△x。N点为阻力板假设流体阻力作用中心，ON长为L。Fv为流体阻力，可分解为沿板方向的切向阻力Ft，垂直板方向的法向阻力Fn。T为骨架支撑力，Fx为弹簧弹性力。

正弦定理

中轴套装在尾绳上，自由流状态下为面向来流方向水平。

绕O点力矩平衡，则

其中L为虚拟作用中心。有

其中S为阻力板平均面积。

当速度v增加时，受流体力作用，弹簧压缩△x，阻力板倾斜△α，则相当于迎流面积变为

流体阻力Fv与v2小于正比关系，从而实现变阻力。

3 CFD仿真计算

3.1 计算模型与网格

在进行实物制造和试验前对阻力伞进行流体性能仿真计算，目的是确定结构是否流动稳定，在不同流动速度下各个部件的受力，从而对结构的尺寸进行优化，也确定弹簧的弹性系数选取范围[3]。计算采用流体软件进行 CFD仿真分析。在软件中建立柱状流体域，见图3。

图3 计算机边界模型

采用自动网格划分流场网格，近壁面处采用边界层网格控制，在结构与尾流处进行局部网格加密。经过网格敏感性测试计算后，采用最佳网格，网格数30万左右。网格为四面体结构，x=PQ=130 mm时的阻力伞表面局部加密网格，模型见图 4～7。边界条件：采用速度入口，计算速度 1.5、2.5、3.5、4.5 m/s；压力出口，远场边界为滑移壁面边界。采用全域流场，距离x取值为130、110、90、70 mm，x=0时PQ重合，共计算16个工况。环境压强为1个大气压，采用 realizablek−ε模型，二阶差分，SIMPLE算法。物理模型采用雷诺平均 RANS（Reynolds Average Navier-Stokes）方法和realizablek−ε模型。

图4 整体流域网格

图5 局部网格加密

图6 正面

图7 背面

3.2 仿真结果与分析

图8和图9为PQ距离x=130 mm，速度v=1.5 m/s表面压力云图，图10为不同工况（即x和v不同）下的对称面压力云图。

图8 迎流面

图9 背流面

图10 不同工况下的压力云图

表1 仿真结果数据

4 试验研究

利用铝合金加工模型，如图 11所示。将模型套入8 m长的绳索（距绳索尾部3 m），在荆门某研究所进行拖曳试验，并截取长度为53 m（直径为2 cm）的编织绳索进行了比较试验。拖曳实验数据如表2所示，实验结果见图12。

图11 试验模型

表2 模型拖曳试验数据

图12 阻力曲线图

由表2可知，单个阻力伞模型在低速时就能达到较大的阻力，随着拖曳速度提升，叶片合拢，引流面减小，相应受力减小。从图12可以看出，53 m的绳索在低速状态下产生的阻力很小，但随着拖曳速度提升，基本可见其产生的阻力与速度的平方成正比，高速拖曳时产生阻力过大；而阻力伞模型的6块叶片约束相同，拖曳姿态较为稳定。

5 结论

实际应用中，阻力伞材料可选用尼龙、聚丙烯、ABS等非金属工程材料，确保强度的同时能降低密度，进一步提高拖曳姿态的稳定性。可以根据项目需要将多组阻力伞固定于绳索上，以达到低速时提供较大阻力、高速时提供阻力不至于过大的目的。也可以通过选用不同硬度或规格的压簧来确定最好的阻力线性。