無人艇動穩(wěn)性試驗與數(shù)值驗證

馮月衛(wèi)，王 輝，周 杰

(1.南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通226000;2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

21世紀是一個競爭的世紀，人類利益爭奪的觸角已經(jīng)投向遙遠的太空、宇宙以及廣闊的海洋。其中海洋所蘊藏的巨大經(jīng)濟利益以及在政治上的重要地位，使得各國對海洋權(quán)利的爭奪日趨激烈［1］。在信息科技革命中新興的各種智能化設(shè)備是人們借以征服海洋的利器，而處在最前沿的依然是智能化武備。本文要研究的對象就是這樣一種自主航行并執(zhí)行各種任務(wù)的水面航行器——無人艇(USV)［2］。

無人艇在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用涉及到情報、偵察和監(jiān)視(ISR)、水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、反艦戰(zhàn)、力量保護、港口安全、精確打擊、海上攔截和封鎖、特種作戰(zhàn)支持等。各國海軍對于無人艇的一系列前沿應(yīng)用表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，無人艇研究項目持續(xù)推進，新船型應(yīng)用逐漸增多，自主性不斷提高。

無人艇的動穩(wěn)性是一個重要的性能指標(biāo)［3］。國內(nèi)外關(guān)于滑行艇動穩(wěn)性的研究和實驗很少，尚未形成可以參考的理論成果。在無人艇動穩(wěn)性方面展開研究和試驗是具有開創(chuàng)性和挑戰(zhàn)性的一個方向。

1 模型試驗

關(guān)于滑行表面的水動力計算研究起源于20世紀40年代NACA 在蘭利的拖曳實驗［4］，基于這些實驗后續(xù)的許多相關(guān)研究才得以展開。無人艇的水動力系數(shù)具有非線性，要準確確定這些水動力系數(shù)可靠的方法是通過模型試驗獲得。無人艇模型試驗主要測量高速航行橫傾的航行姿態(tài)，橫向恢復(fù)力和力矩。期望通過調(diào)整、確定無人艇部分參數(shù)，建立參數(shù)對穩(wěn)性、抗傾覆性能、浮態(tài)恢復(fù)效果的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，為布局優(yōu)化提供支撐和參考。對于高速橫傾航行的船舶模型試驗，據(jù)目前資料顯示，類似的試驗只有英國南安普頓大學(xué)的水池實驗室做過，如圖1所示，該研究橫傾航行的船舶模型試驗主要用于帆船的設(shè)計。對于高速航行橫傾時滑行艇水動力系數(shù)測量的模型試驗，難度系數(shù)更高，此試驗在國內(nèi)尚屬首次，在試驗裝置的設(shè)計和試驗方案的確定等方面都是試驗的困難所在。

圖1 Wolfson Unit模型試驗圖Fig.1 Model test of Wolfson Unit

1.1 試驗方案

本試驗中滑行艇試驗?zāi)Ｐ团c實船的比例關(guān)系為1∶2.5，主要對滑行艇的強迫橫傾進行試驗研究，試驗是在中國特種飛行器設(shè)計研究所的高速拖曳水池進行的。該試驗?zāi)Ｐ偷闹饕獏?shù)如下:

模型如圖2所示。

圖2 無人艇試驗?zāi)Ｐ虵ig.2 Experimental model of USV

在本試驗中需要固定無人艇模型橫向角度，保持其他方向自由度自由運動，以傅汝德?lián)Q算速度拖曳模型，測量相應(yīng)狀態(tài)的恢復(fù)力矩，同時測量縱傾角、升沉。試驗測量幾個不同角度的相應(yīng)數(shù)值。為了保證實現(xiàn)該功能，設(shè)計了橫傾固定的輔助試驗裝置，如圖3所示。該裝置由以下幾部分構(gòu)成:橫傾角固定裝置、導(dǎo)桿裝置、滑桿裝置、砝碼。橫傾角固定裝置保證了固定橫傾角狀態(tài);導(dǎo)桿和滑桿裝置實現(xiàn)了垂向的無約束滑動;砝碼是為了抵消裝置自身重力對于試驗的影響。

圖3 橫傾固定裝置與安裝圖Fig.3 Heeling fixtures and installation drawing

試驗主要由2 部分組成:試驗可靠性驗證和固定橫傾角高速直航試驗。試驗可靠性驗證是對比固定橫傾角裝置與傳統(tǒng)拖線方式2 種情況下測量的無橫傾角直航狀態(tài)下的航態(tài)參數(shù)，以說明本試驗裝置的測量數(shù)據(jù)的可靠性程度。

1.2 試驗可靠性驗證

由于本試驗是首次使用自行設(shè)計的橫傾固定裝置對無人艇的阻力、縱傾角、升沉、恢復(fù)力矩等數(shù)據(jù)進行測量，為驗證這些試驗數(shù)據(jù)的可靠性，在此之前先進行正常拖曳式阻力試驗，通過對比得到固定橫傾裝置試驗數(shù)據(jù)的可靠性程度。

表1 設(shè)計裝置與拖線方式試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment data of design device and towing method

圖4 阻力曲線對比Fig.4 Resistance curve contrast

圖5 縱傾角曲線對比Fig.5 Trim Angle curve contrast

圖6 升沉曲線對比Fig.6 Heave curve contrast

從拖線式船模阻力試驗和固定橫傾裝置阻力試驗2 組數(shù)據(jù)對比中可以得到，縱傾角和升沉除了在個別點之外，整體趨勢和測量數(shù)值都是十分吻合的，數(shù)據(jù)可信。阻力值在變化趨勢上是相同的，整體誤差在11%左右，需要對數(shù)據(jù)進行一定的處理之后才能進一步使用。阻力值在測量上存在誤差可能是由以下原因造成的:六分力天平量程過大(300kgf)引起的精度損失;直航過程中在套桿處產(chǎn)生的慣性力引起的滑動摩擦力增大。

1.3 固定橫傾角高速直航試驗

試驗中無人艇固定橫傾角實際測量值分別為4.5°，11°，18°，試驗結(jié)果見表2、表3和表4。

2 試驗數(shù)值驗證

本節(jié)采用Fluent 軟件對橫傾試驗進行數(shù)值模擬，并將計算值和試驗值進行對比。試驗中無人艇固定橫傾角實際測量值分別為4.5°，11°，18°，在本節(jié)中對橫傾角為4.5°，11°，18°的滑行艇在航速為2 m/s，4 m/s，6 m/s，8 m/s 時的情況進行模擬，共計12 種工況。

2.1 計算模型

計算模型的尺寸和試驗船模的尺寸比例為1∶1。圖7為采用Gambit 軟件建立的該滑行艇三維計算模型。

圖7 滑行艇三維計算模型Fig.7 Three-dimensional calculation model of USV

2.2 計算域的選取及邊界條件的設(shè)置

計算域后端距艇尾11 m，前端距艇首5.5 m，底部距艇底3.6 m，側(cè)面距艇中4 m，頂部距甲板1.9 m。其邊界條件為:計算域右端為速度入口，計算域左端為壓力出口，其余邊界條件為壁面邊界條件。

2.3 網(wǎng)格的劃分

如何生成高品質(zhì)的計算網(wǎng)格是CFD的一個重要課題［5］，劃分網(wǎng)格是建立計算模型中難度最大的部分，網(wǎng)格單元劃分的好壞不僅決定了能否得到正確解，還決定了求解時間的長短［6－7］。由于計算域范圍較大，而計算主要關(guān)心的滑行艇附近的流場，所以滑行艇附近網(wǎng)格較密，遠離滑行艇的計算區(qū)域逐漸變疏，但要注意網(wǎng)格疏密過渡時的連續(xù)性。在本文中網(wǎng)格的劃分采用如下方法:先在滑行艇周圍建立一個小域包圍滑行艇，并將滑行艇分成前后2 部分，前面部分適當(dāng)加密，用以模擬滑行艇船首飛濺，由于艇體艇型較復(fù)雜，所以其表面全采用三角形網(wǎng)格，如圖8所示;小域內(nèi)采用的是四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;計算域的其他地方都采用的是六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖8 艇體表面網(wǎng)格Fig.8 The hull surface grid of USV

圖9 網(wǎng)格劃分Fig.9 Meshing of calculation area

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

表2、表3和表4為試驗值與計算值的對比。

表2 橫傾角為4.5°Tab.2 Heeling Angle is 4.5°

表3 橫傾角為11°Tab.3 Heeling Angle is 11°

表4 橫傾角為18°Tab.4 Heeling Angle is 18°

3 結(jié) 語

設(shè)計了無人艇橫傾直航試驗并驗證了試驗裝置的可靠性。測量了橫傾角為4.5°，11°，18°時的阻力、橫向力、恢復(fù)力矩等水動力參數(shù)，并且采用Fluent 軟件對其中的12 種工況進行了數(shù)值模擬，數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果符合度較好。數(shù)值計算方法能為船模試驗提供技術(shù)參考，為布局優(yōu)化問題的進一步探索提供了有利依據(jù)。

［1］徐玉如，蘇玉民，龐永杰.海洋空間智能無人運載器技術(shù)發(fā)展展望［J］.中國艦船研究，2006，3(1):1673－3185 XU Yu-ru，SU Yu-min，PANG Yong-jie.Expectation of the development in the technology on ocean space intelligent unmanned vehicles［J］.Chinese Journal of Ship Research，2006，1(3):1673－3185.

［2］謝毅.水面無人艇抗傾覆系統(tǒng)分析及仿真研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.XIE Yi.The study on USV anti-sunk system analysis and simulation［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2008.

［3］劉維華.無人艇穩(wěn)性及浮態(tài)恢復(fù)性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2011.LIU Wei-hua.The study on USV performance about stability and float capability ［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2011.

［4］CHAMBLISS D B，BOYD G M.The planning characteristics of two V-shaped prismatic surfaces having angles of deadrise of 20° and 40° ［R］.Langley Aeronautical Laboratory，NACA.Tech .Note 2876.Washington，1953.

［5］MARVIN J G.Perspective on Computational Fluid Dynamics Validation［J］.AIAA Journal，1995.

［6］常煜，張志榮，趙峰.多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在含附體水面船模粘性流場數(shù)值計算中的應(yīng)用［J］.船舶力學(xué)，2004，8(1):19－25.CHANG Yu，ZHANG Zhi-rong，ZHAO Feng.Application of multi-block structured grid to computation of viscous flow around a ship with appendage［J］.Journal of ship mechanics，2004，8(1):19－25.

［7］張懷新，劉應(yīng)中，繆國平.帶自由面三維船體周圍粘性流場的數(shù)值模擬［J］.上海:上海交通大學(xué)學(xué)報，2001，35(10):1429－1432.ZHANG Huai-xin，LIU Ying-zhong，MIAO Guo-ping.Numerical simulation of three-dimensional viscous flow with free surface about a ship［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2001，35(10):1429－1432..