董天宏，黃?？疲蛮i飛

（1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510640；2.廣州航通船業(yè)有限公司，江門 529145）

1 引 言

目前，烴類礦物的開采已進(jìn)入3 000 m的超深水領(lǐng)域。為了穩(wěn)定系泊用于開采的海洋平臺(tái)等水上結(jié)構(gòu)物，需要開發(fā)更優(yōu)越的錨固系統(tǒng)。魚雷錨與常規(guī)錨相比顯現(xiàn)出更有發(fā)展前景的深水系泊，解決方案的部件較少，更容易施工，更簡(jiǎn)單的安裝，并能大幅度降低成本等優(yōu)勢(shì)。重力錨的概念首先由Atturio和Valent在1977年提出[1]，作為海洋熱能守恒（OTEC）電廠的成本有效且可行的系泊選項(xiàng)。巴西國(guó)家石油公司Petrobras對(duì)魚雷形重力錨的研究項(xiàng)目于1996年被首先提出，魚雷錨最早在2002年被投入商業(yè)應(yīng)用于巴西的坎普斯盆地。最近針對(duì)魚雷錨的研究有所加深。大多數(shù)的研究都是為了更好地貫穿海床，從而找到在自由落體中增強(qiáng)尤其是方向穩(wěn)定性這方面的水動(dòng)力特性的方法。

本文提出了一種使用CFD模型魚雷錨下降的安裝過(guò)程，并分析水動(dòng)力參數(shù)對(duì)重力錨的方向穩(wěn)定性的影響的方法及其所得的結(jié)果。

2 方向穩(wěn)定性的數(shù)值分析

魚雷錨的方向穩(wěn)定性受許多參數(shù)如重量、重心、水動(dòng)力中心等各結(jié)構(gòu)形式的影響。它也可以由魚雷錨落下后的位移距離和旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行評(píng)估。

2.1 重量和重心的影響

該研究對(duì)沒(méi)有連接纜繩錨鏈等連接裝置的未經(jīng)改裝的母型魚雷錨進(jìn)行了研究。該母型魚雷錨模型直徑和長(zhǎng)度分別為1.2 m和13 m，如圖1所示。由于魚雷錨軸部添加加碴混凝土和廢金屬，配重會(huì)對(duì)方向穩(wěn)定性產(chǎn)生一些影響。

圖1 魚雷錨外形尺寸與配重尺寸圖

魚雷軸部的配重部分和其他結(jié)構(gòu)部件的分別由鉛（密度11 300 kg/m3）和鋼制成（密度為7 850 kg/m3），如圖1所示。每個(gè)部分的重心為可以通過(guò)加入配重部分的高度k進(jìn)行計(jì)算，然后，整個(gè)魚雷的重心高度CG（XG）通過(guò)推導(dǎo)可以表示為：

顯然，要如果能得到較小的XG，即可使魚雷的方向更加穩(wěn)定。 XG得到最合適的值為2.8 m。該模型命名為H2.8，通過(guò)使用CFD軟件進(jìn)行模擬該模型從2 700至3 100 m的海底模型的400m的高度的落下過(guò)程（用“H”和“k值”命名）。

而加大軸部配重重量的意義在于當(dāng)小幅改變中心高度的情況下提高魚雷錨體的密度，令魚雷錨型保持不變，同時(shí)重量增大為原來(lái)的2倍，即將密度假設(shè)為原錨的2倍進(jìn)行模擬得到結(jié)果如圖2、3。

圖2 400 m下落后2倍重型與母型魚雷錨偏移距離對(duì)比

圖3 400 m下落后2倍重型與母型魚雷錨偏轉(zhuǎn)角度對(duì)比

圖2、3分別顯示在400 m下落安裝過(guò)程中的偏移距離和偏轉(zhuǎn)角度與母型錨數(shù)據(jù)的對(duì)比情況，其中虛線所代表的為2倍重魚雷錨的下落情況數(shù)據(jù)，實(shí)線代表母型錨的下落情況數(shù)據(jù)。

針對(duì)兩種錨型的方向穩(wěn)定性對(duì)比如表1所示

表1 2倍重魚雷錨與母型錨下落400 m時(shí)的方向穩(wěn)定性對(duì)比

可以看到在密度增大一倍的前提下，魚雷錨方向穩(wěn)定性大幅度提升且下落時(shí)間大大減少，但如果為了達(dá)到此目的必需要將魚雷錨空心的軸部填滿(因?yàn)橹挥羞@樣才能大幅提升密度，在自然界中并不存在成本與密度都能接近2倍原密度的假設(shè)情況的材料)，很顯然這樣會(huì)使魚雷錨重心的位置又會(huì)過(guò)于偏高，那么絕對(duì)無(wú)法得到足夠的方向穩(wěn)定性，故我們?nèi)=2.8 m，此后研究中的母型錨均以軸部加入2.8 m的錨型為準(zhǔn)。

2.2 尾翼的影響

為了評(píng)價(jià)尾翼對(duì)魚雷錨方向穩(wěn)定性的影響，創(chuàng)建從H2.8的原型與0.064長(zhǎng)寬比的模型，命名為SAR（小長(zhǎng)寬比）。由于通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)在較小的下落距離里更小的展弦比的錨型率先加速度達(dá)到接近于零的數(shù)值，繼續(xù)下落只會(huì)增大偏移量與偏轉(zhuǎn)角度并可能損失當(dāng)前達(dá)到的速度，故只取下落的前10.5 s的方向穩(wěn)定性數(shù)據(jù)圖進(jìn)行對(duì)比。

兩個(gè)模型（母型錨與SAR型）的仿真結(jié)果如圖4、圖5,結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比見表2,可看出由于SAR具有較小展弦比使其在較小的下落時(shí)間段內(nèi)的方向穩(wěn)定性相對(duì)母型錨較好。

由數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在較小的展弦比下原魚雷錨在與母型錨下落同樣的較小的距離時(shí)，其轉(zhuǎn)角相對(duì)增大，偏移距離相對(duì)減小，終速稍減，這說(shuō)明在相對(duì)較小的下落距離中總的魚雷錨的水動(dòng)力系數(shù)是弱于原母型錨的。在方向穩(wěn)定性方面也同樣如此，雖然便宜的距離相對(duì)的減少但終態(tài)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度卻增大了近50%。而且這一切的數(shù)據(jù)還是在兩種錨型達(dá)到終速之前的對(duì)比結(jié)果，可以預(yù)見在同樣下落400 m的距離的情況下由于小展弦比錨率先達(dá)到終速，則繼續(xù)下去會(huì)進(jìn)一步損失其本就相對(duì)較小的動(dòng)能，而且在海洋環(huán)境的影響下不再繼續(xù)加速的新型錨將會(huì)大大損失其方向穩(wěn)定性，由此可見，過(guò)小的展弦比在魚雷錨的結(jié)構(gòu)中是不可取的。

圖4 下落10.5 s內(nèi)小展弦比型與母型魚雷錨平移距離對(duì)比

圖5 下落10.5 s內(nèi)小展弦比型與母型魚雷錨平移距離對(duì)比

圖4 、圖5分別顯示在下落安裝過(guò)程的前10.5 s中的偏移距離和偏轉(zhuǎn)角度與母型錨數(shù)據(jù)的對(duì)比情況，其中虛線所代表的為小展弦比魚雷錨的下落情況數(shù)據(jù)，實(shí)線代表母型錨的下落情況數(shù)據(jù)。

表2 結(jié)果對(duì)比

2.3 細(xì)長(zhǎng)體型長(zhǎng)寬比對(duì)方向穩(wěn)定性影響的討論

為保持除錨體主干部分以外的其他部分參數(shù)不變，加大錨體的長(zhǎng)度至23.4 m，并同時(shí)減小寬度至1.2 m，則重心高度按比例變到14.23 m處，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按長(zhǎng)度平方比例變化為2 100 762.7 kg·m2。經(jīng)過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)體型魚雷錨在11.9 s的時(shí)間點(diǎn)就已經(jīng)完成下落400 m的安裝任務(wù)，故細(xì)長(zhǎng)體型魚雷錨的水動(dòng)力數(shù)據(jù)只取11.9 s。

其模擬方向穩(wěn)定性結(jié)果及模擬結(jié)果數(shù)據(jù)分別呈現(xiàn)于圖6、7與表3之中。

圖6 下落400 m 細(xì)長(zhǎng)體型與母型魚雷錨平移距離對(duì)比

圖7 下落400 m 細(xì)長(zhǎng)體型與母型魚雷錨偏轉(zhuǎn)角度對(duì)比

圖6 、7分別顯示細(xì)長(zhǎng)體型魚雷錨在400 m下落安裝過(guò)程中的偏移距離和偏轉(zhuǎn)角度與母型錨數(shù)據(jù)的對(duì)比情況，其中虛線所代表的為細(xì)長(zhǎng)體型魚雷錨的下落情況數(shù)據(jù)，實(shí)線代表母型錨的下落情況數(shù)據(jù)。

表3 細(xì)長(zhǎng)體與母型錨下落方向穩(wěn)定性參數(shù)對(duì)比

由以上結(jié)果對(duì)比可知改變成為細(xì)長(zhǎng)體后，不但加快了終速減短了下落時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)又大大增強(qiáng)了方向穩(wěn)定性。但實(shí)際應(yīng)用中考慮到魚雷錨的抗折強(qiáng)度，一般不會(huì)取太大的長(zhǎng)寬比，以防止出現(xiàn)不必要的損失。

2.4 對(duì)水動(dòng)力中心和方向穩(wěn)定性恢復(fù)能力之間的關(guān)系進(jìn)行討論

當(dāng)重力的魚雷錨的中心（CG）低于其流體動(dòng)力學(xué)中心（CH）下，它被看作是定向的穩(wěn)定，否則它是不穩(wěn)定的。一般地，CG應(yīng)比CH小錨長(zhǎng)度[3]的10%左右。對(duì)于魚雷錨沒(méi)有尾鰭的情況，CH是從錨頭開始計(jì)算，計(jì)算公式如下：

其中，CL是基于鰭平面形狀面積（Afin）的升力系數(shù)。

對(duì)小展弦比 的鰭可以使用瓊斯公式：

Afin為鰭平面面積，xf為魚雷錨前段端點(diǎn)至鰭平面中心的距離。式中的新系數(shù)C’N定義為：

其中，Afin是尾翼所在區(qū)域的橫截面積，Ar是主體部分橫截面積，α是攻角。

3 結(jié) 論

我們對(duì)魚雷錨的方向穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。模擬結(jié)果表明，重心和水動(dòng)力中心的相對(duì)位置必須在評(píng)估錨的穩(wěn)定性時(shí)加以考慮。且在不改變魚雷錨總體形狀的同時(shí)加大自身重力，可大大提升以方向穩(wěn)定性為主的各種水動(dòng)力性能。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采取在魚雷錨體中空軸部填充大密度配重，雖無(wú)法達(dá)到2倍原錨體平均密度的效果，但仍舊是很有效的方法之一。通過(guò)研究還可知，尾翼和細(xì)長(zhǎng)體型魚雷錨可顯著提高方向穩(wěn)定性，雖然隨前者的減小而這些優(yōu)勢(shì)只適用于一定的下落范圍內(nèi)，且相對(duì)于其對(duì)方向穩(wěn)定性的作用并不明顯，下落速度的輕微犧牲是不可以接受的。而后者則可以說(shuō)在符合穿透海床的允許范圍內(nèi)并綜合考慮魚雷錨的壽命與造價(jià)的情況下可取的值越大越好，因?yàn)槠淇梢詫?duì)水動(dòng)力系數(shù)尤其是方向穩(wěn)定性的好處是巨大的。

[1]J.M.Atturio and P.J.Valent, “High-capacity, deep-water, free-fall anchor,”C.Proceedings of OCEANS’77 Conference (1977).

[2]Antonio Carlos Fernandes, “Torpedo Anchor Installation Hydrodynamics,” J.Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Vol.128, No.4 (2006).

[3]Mohammad S.Raie, and John L.Tassoulas, “Installation of Torpedo Anchors:Numerical Modeling,” J.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering (2009).