英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
对两部分式水下拖曳系统进行的实验研究
Wu Jiaming Wu a，*，Allen T.Chwang b
a华南理工大学船舶与海洋工程系，中国广州
b香港大学，薄扶林道，香港大学机械工程系，中国
2000年1月28日收到； 2000年3月15日接受
摘 要 开发了一种实验装置，并证明对水下拖曳系统的实验室研究有效。实验技术提供了一种实用的方法，用于监测船舶拖曳舱中水下拖曳系统的运动学和动态性能。研究中的理论和实验结果均表明，通过采用两部分拖曳方法，可以显着降低拖曳车辆对拖曳船的波浪感应运动的流体动力响应。数值模拟与实验结果的比较表明，数值模拟结果与实验数据较为接近，实验结果与理论结果总体吻合。结果定性地验证了由Wu和Chwang提出的两部分式水下拖曳系统的数学模型。
关键词：水下拖曳系统两部分式牵引；模型测试；传感器测量
1.简介
水下拖曳系统通常是一种海底测量设备，可拖曳在拖船后面，用于许多海洋应用，例如海洋环境调查，海床测绘和海军防御。常规水下拖曳系统由一根电缆及其拖曳的车辆组成。车辆中仪器的操作要求被牵引车辆在牵引操作期间应保持稳定。但是在真实的海洋环境中，拖船的不稳定运动会通过电缆传输到被拖曳的车辆上，从而导致相对于拖船的姿态和位置都受到干扰。根据海况和拖船的反应，这些扰动可能足够大，以使拖曳的车辆脱离可接受的限制。在不同的牵引条件下保持牵引车的姿态尽可能稳定是使用者的主要关注之一。已经提出了许多方案来使拖曳系统在波浪中运行时保持水下拖曳车辆稳定，其中一种方案是使用两部分式水下拖曳系统来将拖曳船的波浪感应运动与拖曳车辆分离。 Ranmuthugala和Gottschalk（1993）在理论上研究了这种水下拖曳系统的水动力性能，Wu和Chwang（1999，2000）在理论上已经对其进行了研究。从他们的理论结果中发现，通过两部分拖曳方法，可以改善拖曳车辆在波浪拖曳过程中的水动力性能，特别是在垂直平面运动中波浪引起的拖曳车辆的高频响应（即升沉和俯仰）可以降低。尽管在水动力这一领域进行了一些理论性的工作，但很少有实验记录可用于这种水下拖曳系统的水动力行为。
近年来，关于水下拖曳系统水动力行为的现场和实验室实验的一些报道已经发表。 Bettles and Chapman（1985）在拖曳水箱中的水下拖曳系统上进行了实验室实验，拖曳水箱的尺寸为9.7times;1.8times;1.2 m（ltimes;htimes;w）。在他们的实验中，铝合金牵引车被用作连接到交流电的源电极。拖曳车辆的轨迹，并通过拖曳车辆与固定的水平和垂直感应线之间的电容变化来记录拖曳车辆的轨迹，固定的水平和垂直感应线在拖曳车辆被拖曳时位于横截面的每个角和拖曳罐的两端以不稳定的速度。 Ranmuthugala和Gottschalk（1994）在两部分水下拖曳系统上报告了他们的实验室实验结果。实验是在循环水槽中进行的。摄像机通过油门上的观察窗记录了压脚板和被牵引车辆的运动，并通过称重传感器在主电缆的牵引点处记录了电缆的张力。 Koterayama等（1995年）在日本海进行了单电缆拖曳系统的现场试验。在他们的实验中，拖曳船的运动通过加速度传感器进行测量，被拖曳车辆的水下深度，俯仰和侧倾角分别通过压力传感器和陀螺仪进行测量。
上述实验是当今常用的三种典型实验方法，用于记录水下拖曳系统的运动学和动态性能，即静电测定、视频图像的方法以及通过将运动仪器安装在水下运动系统上的方法。 系统检测其动态行为。 由于测试设备的局限性，静电测定和视频图像方法只能被应用于水下拖曳系统的小型模型。 因此，实验结果可能难以完全揭示水下拖曳系统的真实特性。 另一方面，最后一种方法仅适用于现场实验，而且非常昂贵。
在本文中，对在拖船上进行的两部分式水下拖曳系统进行了实验研究，并通过实验研究了两部分式水下拖曳系统在波浪中的流体动力性能。 在实验中，通过在拖曳模型上安装运动传感器来测量拖曳系统的动态响应。研究的目的是通过实验验证Wu和Chwang（2000）提出的数学模型，并提出一种用于水下拖曳系统的实验室实验的替代技术，这对于理解系统的水动力行为将非常有用。
2. 实验说明
实验是在模型船拖曳舱中进行的，以检查以一定速度拖曳的两部分水下拖系统在不同拖曳条件下的流体动力响应。实验中记录的数据包括在不同的牵引点激励和牵引速度下，降压器和被牵引车辆的起伏响应以及主缆索上端的张力。然后将实验结果与Wu和Chwang（2000）的理论模型在相同的实验室牵引条件下预测的结果进行比较，以检验数学模型在预测牵引系统水动力性能方面的可靠性。实验装置的布局如图1所示。
图1.实验装置的布局
测试在华南理工大学（中国广州）的模型拖船上进行。牵引箱尺寸为120times;8times;5m（ltimes;wtimes;h）。给水箱注满4m的淡水。它配备了一条长10 m，宽9 m，高2.5 m的两轨动力牵引拖架，其重量约为22 t。滑架的速度范围为0.01-5.80 m / s，当速度低于5 m / s时，牵引速度精度在plusmn;0.5 mm / s之内。托架速度由数字控制电路控制，可控硅整流器系统应用于托架的电源。
为了模拟拖船在波浪场中行驶的现象，在拖架上安装了滑车曲柄机构，当拖架拖曳系统并连接拖曳系统时，在初级电缆的上端提供激励，牵引系统连接到机构的前导杆，曲柄的长度及其角速度设计为可调的，因此可以改变激励的幅度和频率，而机构的连接连杆固定为0.35 m长。拖曳系统的动态响应由运动感测设备（例如压力和加速度传感器）检测到。
与数学模型类似，实验中的牵引系统的测试模型由初级电缆，压降电缆和次级电缆组成，它们是用于承受电缆张力的钢丝绳，降压器和被牵引车辆连接到辅助电缆的末端。实验中使用的降压器是一个具有足够净重的钢球，用于在给定的深度下压入牵引系统。牵引车是通过使用直径为0.11 m，厚度为2 mm的圆形尼龙圆柱体制成的，圆柱体的两端有两个半球形的鼻部。通过将压载物（这些压载物是一些半圆形的铸铁板放置在车辆的下半圈内），将车辆调整为中性浮力，重心在车辆长度的中点并始终在水中垂直漂浮。在将重物和运动传感设备正确固定在被牵引车辆内部之后，车辆的两端用泡沫塑料密封以防水。拖曳系统的示意图如图2所示。
为获得拖曳系统的动态响应数据，将以下设备安装在拖曳系统的运动部件上。
2.1 压力传感器
两个压力传感器分别安装在牵引车的压脚和前部，以测量压脚的瞬时深度坐标和牵引车的牵引点。压力传感器的测压孔始终是定向翼。
图2.牵引系统模型的示意图
如图2所示，在压气机和被牵引车辆的尾端由2 mm厚的有机玻璃制成。这种压力测得的是总压力。可以通过从总压力中减去动压力而获得的压力中恢复被测点的瞬时深度坐标。在这种情况下
（1）
的动压力为V是牵引车的牵引速度。
2.2 加速度传感器
加速度传感器安装在被牵引车辆的尾端，以检测在被牵引车辆的尾端的起伏响应的幅度。然后将测得的加速度数据进行两次积分以获得所需的振幅。
2.3 环形应变计称重传感器
环形应变片式称重传感器连接在曲柄机构的前撑杆和主电缆的牵引点之间，以记录主电缆顶端的张力。
上述传感器的传感信号数据通过信号线传输到牵引车上的控制室，并存储在计算机中。信号线通过胶带与原始的钢丝绳的初级，低压和次级电缆绑在一起，形成复合电缆。因此，复合二次电缆由压力和加速度传感器的两条信号线和一条钢丝绳组成。降压器电缆由压力传感器的信号线和钢丝绳组成。初级电缆由压力和加速度传感器的三根信号线和一根钢丝绳组成。在这些复合电缆中，只有钢丝绳可以承受沿电缆的张力。
为了使用Wu和Chwang（2000）中开发的数学方法在实验室拖曳条件下获得拖曳系统（测试模型）的数值结果，应首先给出拖曳系统的动态参数。在这项研究中，通过实验方法确定了复合主电缆、被牵引车辆和被牵引系统的降压器的动态系数。
2.4 复合主电缆的法向阻力系数
为了确定复合主电缆的法向阻力系数，将电缆元件样本以其铰链点在水面上的方式自由悬挂在牵引车上。样品的组件与原始复合电缆的组件相同，不同之处在于，其中一根信号线被一根具有相似粗糙度的红铜管代替，从而使样品变得坚硬。当牵引车以恒定速度V行进时，电缆样本会与垂直于牵引方向的垂直平面成角度a倾斜。复合主电缆的法向阻力系数Cn可以从法向阻力和样品在铰接点附近的浸入水中的力矩平衡确定，
(2)
其中Ws，Ds和Ls是浸入水中的重量、公称直径和长度。样品公称直径Ds假定为三根信号线的外接圆的直径，其值等于10.77毫米。通过测量获得的复合初级电缆Cn的平均法向阻力系数为1.9。
2.5 牵引车和降压器的阻力系数
为了获得牵引车的纵向阻力系数，将牵引车模型在水中水平悬挂在牵引车上的两根相等长度的细钢丝绳中。用足够的沉没重量（不是拖曳实验中应用的被拖曳车辆的实际沉重重量）压低该车辆，并将其纵轴导向拖曳速度的方向。应适当选择悬架车辆的淹没深度，以减少流体拖曳力对绳的影响或被拖曳车辆的波阻对测量结果的影响。当牵引车以恒定速度V行驶时，绳将偏转一个角度a，然后可以从
(3)
(4)
中获得和为淹没重量，而牵引车的纵向阻力和阻力系数可以得到。牵引车的横截面积。用类似的方法可以得出降压器的阻力系数。图3显示了牵引车和降压器的阻力系数的实验结果。
2.6 牵引车的惯性矩
采用了双向悬浮法（Blagoveshchensky，1962，pp.595-605和Bhattacharyya，1978，pp.308-330），这是确定船舶模型在航海实验中惯性矩的常规方法之一。找到牵引车模型绕其横向水平和垂直轴的惯性矩。该模型通过两根等长的绳子水平悬挂在空中（图4）。悬架应确保模型的重心位于琴弦之间的中间。为了获得的值，将围绕被牵引车辆的垂直Z轴的水平面内的摆动运动赋予模型，并且用秒表测量全振动的平均周期。则绕轴的回转半径和绕轴的质量惯性矩由（Bhattacharyya，1978）给出其中是悬索的长度，是悬索的长度，是悬索的质量。拖曳的车辆模型。通过测量获得的牵引车的和值分别为0.3578 m和1.60。
图3.牵引车和降压器的阻力系数的测量结果
(5)
(6)
使用相同的方法，如果选择牵引车的Y轴作为悬架测试模型摆动的垂直轴，则可以获得和值。通过测量发现，和的值与和的值相同，即
图4.牵引车模型的质量惯性矩的双悬架测量
3.数值结果与实验数据的比较
为了将有关两部分水下拖曳系统水动力特性的数学模型的理论预测与相关实验数据进行比较，进行了一系列实验。 使用上述测试设备和测试模型进行实验。牵引系统的复合电缆，降压器和牵引车辆的详细信息如下：
3.1. 降压器
直径= 0.11 m；
定向翼的长度= 0.40 m，
定向翼的宽度= 0.065 m；
空气重量= 5.25公斤，
水中重量= 4.58千克。
3.2. 牵引车
直径= 0.11 m；
长度= 1.30 m；
空气重量= 12.50公斤，水中重量=约0公斤；
水平定向翼：和弦= 0.13 m，跨度= 0.24 m；
垂直方向翼：和弦= 0.13 m，跨度= 0.175 m 。
3.3. 电缆线
主电缆：长度= 2.84 m，空中重量= 0.181 kg / m，
水中重量= 0.104 kg / m；
压脚电缆：长度= 0.30 m，空气重量= 0.063 kg / m，
水中重量= 0.039 kg / m；
辅助电缆：长度= 1.50 m，空气中重量= 0.124 kg / m，
水中重量= 0.065 kg / m。
实验是在以恒定拖曳速度进行直线拖曳的情况下进行的，并且在主电缆的顶端受到由曲柄滑块机构推动的激励。在曲柄滑块机构的激励下，主电缆牵引点的起伏幅度可以写为
(7）
初级电缆顶端的牵引点的轨迹是
（8）
其中r和T是曲柄的长度和旋转周期，是曲柄滑块机构的连接连杆的长度，V是牵引车的牵引速度。实验中的r和分别为0.1和0.35 m。 牵引车从静止状态开始到恒定的牵引速度，并且在系统处于稳定的牵引状态时记录测量数据。
图5和图6示出了关于牵引器的压脚的瞬时深度和牵引点的瞬时深度以及牵引车的尾部在其平衡位置附近的起伏幅度的实验结果。 在实验中，牵引曲柄机构的牵引速度为1.75 ，曲柄的长度为r，转动周期为T [参见等式 （7）]分别取为0.1m和1.6s。
在相同拖曳条件下的数值模拟结果在图5和图6中示出。从图5到图8可以看出，根据数值和
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[235237]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
