深海應(yīng)急救生艙波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析

(中國船舶科學(xué)研究中心 a.深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.軟件工程技術(shù)中心，江蘇 無錫 214082)

深海載人潛航器在水下作業(yè)，可能遭遇到暗流、碰撞、掉深，以及誤操作等風(fēng)險(xiǎn)。雖然常規(guī)脫險(xiǎn)救生方法[1]有很多，如快速漂浮自救脫險(xiǎn)、減壓自救脫險(xiǎn)、救生鐘/艇援救脫險(xiǎn)，但對(duì)于大潛深的載人潛航器而言，深海應(yīng)急救生艙幾乎是解決水下全體乘員安全保障問題唯一有效的救生手段。深海應(yīng)急救生艙在國外的作戰(zhàn)潛艇上應(yīng)用較多。蘇聯(lián)705型潛艇上首次裝備了應(yīng)急救生艙，該救生艙的救生深度可達(dá)到1 500 m。國內(nèi)以往針對(duì)深海應(yīng)急救生艙的研究都集中在深海應(yīng)急救生艙的材料特性[2]、結(jié)構(gòu)安全[3]以及上浮過程安全穩(wěn)定[4]等方面，對(duì)于深海應(yīng)急救生艙上浮出水后，在水面風(fēng)浪中的搖蕩運(yùn)動(dòng)特性研究未見報(bào)道。由于深海應(yīng)急救生艙在水面等待救援的時(shí)間具有不確定性，過度的搖蕩運(yùn)動(dòng)會(huì)威脅艙內(nèi)乘員的生命安全，因此在深海應(yīng)急救生艙設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分關(guān)注其在水面風(fēng)浪中的搖蕩運(yùn)動(dòng)特性。為此，運(yùn)用粘性CFD軟件計(jì)算3種不同浮力材料體積配置的深海應(yīng)急救生艙在水面規(guī)則波中橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)頻響曲線，然后通過統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)比分析3種計(jì)算模型在三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)海況下?lián)u蕩運(yùn)動(dòng)結(jié)果，揭示浮力材料的體積配置對(duì)深海應(yīng)急救生艙水面耐波性能的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型

深海應(yīng)急救生艙的浮力材料體積配置主要考慮總體平衡、上浮過程安全穩(wěn)定等因素，但也應(yīng)兼顧水面耐波性能。設(shè)定3種計(jì)算模型，分別是配置3種浮力材料的深海應(yīng)急救生艙，救生艙載人艙主體質(zhì)量3.712 t，排水體積3.458 m3。浮力材料密度480 kg/m3，海水密度1 025 kg/m3。浮力材料最小體積選取約0.5 m3，是考慮了深海應(yīng)急救生艙在靜水面的干舷，其上浮至水面后，需要起吊出水，因此起吊點(diǎn)要突出水面；而浮力材料最大體積約2.0 m3選取是考慮了包覆深海應(yīng)急救生艙的圍殼尺寸。

深海應(yīng)急救生艙的坐標(biāo)系原點(diǎn)固定在載人艙球殼球心處，浮力材料外形是側(cè)面為等腰梯形的直四棱柱，不同體積浮力材料側(cè)面形狀相同，但側(cè)棱長度不同。定義沿側(cè)棱長度方向?yàn)閄軸，沿等腰梯形的高度方向?yàn)閆軸，由右手定則確定Y軸。定義深海應(yīng)急救生艙繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)為橫搖，繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)為縱搖，沿Z軸運(yùn)動(dòng)為垂蕩。鑒于載人艙主體為回轉(zhuǎn)體，而浮力材料沿X軸方向的長度大于沿Y軸方向的長度，深海應(yīng)急救生艙在水面的橫搖運(yùn)動(dòng)比縱搖運(yùn)動(dòng)更加劇烈，因此主要關(guān)注深海應(yīng)急救生艙的橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)。配置1.0 m3浮力材料的深海應(yīng)急救生艙二維投影圖及三維模型見圖1。

圖1 配置約1.0 m3浮力材料的深海應(yīng)急救生艙的二維投影及三維模型

3種深海應(yīng)急救生艙模型主要參數(shù)見表1，吃水情況見圖2。

表1 3種深海應(yīng)急救生艙模型主要參數(shù)

圖2 3種不同體積浮力材料的深海應(yīng)急救生艙吃水情況

1.2 CFD計(jì)算原理

采用CFD軟件以雷諾時(shí)均N-S方程為基本方程，時(shí)均連續(xù)性方程具體形式為

(1)

動(dòng)量方程具體形式為

(2)

式中：ρ為流體密度；μ為流體粘度；p為靜水壓力；Si為質(zhì)量力；ui、uj為速度分量。

湍流模型選擇SSTk-ω模型，船體運(yùn)動(dòng)使用重疊網(wǎng)格技術(shù)，自由液面使用VOF法捕捉。

1.3 計(jì)算域設(shè)置及網(wǎng)格劃分

模型關(guān)于XZ平面對(duì)稱，為減小計(jì)算量，取半模進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算域大小設(shè)置如下：①入口距離模型4倍船長，邊界條件為速度入口；②出口距離模型2倍波長，邊界條件為壓力出口；③上、下邊界均為對(duì)稱面；④左邊界距離模型3倍船長，左、右邊界均為對(duì)稱面；⑤船體表面設(shè)置成無滑移、不可穿透壁面。

規(guī)則波選擇斯托克斯一階波，波高使用30個(gè)網(wǎng)格捕捉，波長使用180個(gè)網(wǎng)格捕捉，計(jì)算迭代次數(shù)10次，同時(shí)局部細(xì)化船模貼壁網(wǎng)格，保證壁面y+值在30～300之間，半模網(wǎng)格數(shù)最大為350萬左右。

1.4 數(shù)值方法可靠性分析

選取對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果影響較大的網(wǎng)格劃分進(jìn)行分析。

以約1.0 m3浮力材料體積配置的深海應(yīng)急救生艙在波幅0.032 m，波浪周期3.55 s的水面規(guī)則波上的運(yùn)動(dòng)為例，分析網(wǎng)格對(duì)深海應(yīng)急救生艙計(jì)算結(jié)果的影響。通過改變背景網(wǎng)格尺寸，對(duì)比網(wǎng)格數(shù)為218萬、280萬和420萬的算例計(jì)算的運(yùn)動(dòng)幅值，結(jié)果見表2。

表2 不同網(wǎng)格數(shù)算例運(yùn)動(dòng)幅值對(duì)比

可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，深海應(yīng)急救生艙的橫搖和垂蕩幅值并沒有出現(xiàn)較大的變化，說明網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小，考慮到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，選用280萬網(wǎng)格算例的網(wǎng)格尺寸作為后續(xù)計(jì)算的基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸。

2 結(jié)果及分析

2.1 規(guī)則波中線性頻響計(jì)算

分別計(jì)算約0.5、1.0和2.0 m3浮力材料體積配置的深海應(yīng)急救生艙在水面規(guī)則波中橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)的線性頻響函數(shù)曲線，結(jié)果見圖3。

圖3 3種浮力材料體積配置深海應(yīng)急救生艙橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)頻響函數(shù)對(duì)比

由圖3a)可知，隨著深海應(yīng)急救生艙配置的浮力材料體積增加，其橫搖運(yùn)動(dòng)越來越劇烈，共振頻率也逐漸增大。從圖3a)中可以看出浮力材料體積配置在0.5～2.0 m3之間，深海應(yīng)急救生艙的橫搖頻響函數(shù)峰值變化非常迅速，說明深海應(yīng)急救生艙浮力材料配置體積對(duì)深海應(yīng)急救生艙水面耐波性能有較大的影響。

對(duì)比圖3b)中浮力材料體積配置約0.5 m3和1.0 m3的深海應(yīng)急救生艙，垂蕩頻響峰值沒有太大變化，但各頻率下的垂蕩頻響值都有所增加，垂蕩運(yùn)動(dòng)劇烈程度增長較緩和；對(duì)比浮力材料體積配置約為1.0 m3和2.0 m3的深海應(yīng)急救生艙，垂蕩頻響峰值增長較快，深海應(yīng)急救生艙的垂蕩運(yùn)動(dòng)迅速加劇。

2.2 不規(guī)則波中橫搖和垂蕩的統(tǒng)計(jì)特性預(yù)報(bào)

基于所得深海應(yīng)急救生艙在規(guī)則波中橫搖和垂蕩頻響函數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析原理，按照《船舶原理(下)》中船舶搖蕩預(yù)報(bào)的一般程序?qū)ι詈?yīng)急救生艙在不規(guī)則波中橫搖和垂蕩的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行預(yù)報(bào)。

選用ITTC雙參數(shù)譜，以北半球海浪年平均資料[5]為輸入，選取計(jì)算海況為三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)海況。其中，三級(jí)海況的三一平均波高為1.25 m，波浪平均周期為4～9 s，最可能周期為5.79 s；四級(jí)海況的三一平均波高為2.5 m，波浪平均周期5～9 s，最可能周期為6.79 s；五級(jí)海況的三一平均波高為4 m，波浪平均周期6～9 s，最可能周期為7.48 s。

不同海況下3種深海應(yīng)急救生艙在不同波譜平均周期下的橫搖三一平均幅值曲線見圖4。

圖4 不同海況下3種深海應(yīng)急救生艙在不同波譜平均周期下的橫搖三一平均幅值

由圖4可以看出，三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)海況下，波浪譜平均周期一定時(shí)，深海應(yīng)急救生艙的浮力材料配置體積越大，則橫搖三一平均幅值越大，水面耐波性能越差。因此要想獲得良好的耐波性能，深海應(yīng)急救生艙浮力材料配置體積應(yīng)該越小越好。

同時(shí)適航性衡準(zhǔn)要求[6]規(guī)定，在研制總要求無特殊規(guī)定時(shí)，艦船的最大橫搖角應(yīng)小于45°，由圖4可知，四級(jí)和五級(jí)海況下，浮力材料體積配置約1.0 m3和2.0 m3的深海應(yīng)急救生艙在一定范圍的波譜平均周期下，橫搖三一平均幅值接近或超過了45°，而浮力材料體積配置0.5 m3的深海應(yīng)急救生艙的橫搖三一平均幅值符合規(guī)范要求，說明浮力材料體積配置越小，深海應(yīng)急救生艙可安全作業(yè)的海況等級(jí)就越高。除此之外，深海應(yīng)急救生艙的浮力材料配置體積在0.5～1.0 m3之間的橫搖三一平均幅值的變化速度遠(yuǎn)大于體積在1.0～2.0 m3之間的橫搖三一平均幅值的變化速度，這對(duì)深海應(yīng)急救生艙浮力材料的體積配置選擇有重要的工程指導(dǎo)意義，可以更加靈活的配置浮力材料體積。

不同海況下3種深海應(yīng)急救生艙在不同波譜平均周期的垂蕩三一平均幅值曲線見圖5。

圖5 不同海況下3種深海應(yīng)急救生艙在不同波譜平均周期的垂蕩三一平均幅值

由圖5可以看出，三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)海況下，最可能的波譜平均周期附近的三種浮力材料體積配置深海應(yīng)急救生艙的垂蕩三一幅值相差不大，且浮力材料配置體積約0.5 m3的深海應(yīng)急救生艙的垂蕩三一幅值還略大于其他兩種模型。這和三種模型的垂蕩頻響曲線規(guī)律不同，這是因?yàn)楦×Σ牧吓渲皿w積約1.0 m3和2.0 m3的深海應(yīng)急救生艙的頻響共振周期均嚴(yán)重偏離了波譜的譜峰周期，因此其垂蕩三一幅值反而較小。

3 結(jié)論

1)浮力材料的體積配置對(duì)深海應(yīng)急救生艙水面耐波性能影響極大，在滿足總體要求和上浮過程安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，深海應(yīng)急救生艙的浮力材料配置體積越小，其耐波性能越好，因此浮力材料配置體積約0.5 m3的深海應(yīng)急救生艙水面耐波性能最佳。

2)為了能讓深海應(yīng)急救生艙能在更高等級(jí)的海況下安全工作，充分發(fā)揮其實(shí)用價(jià)值，深海應(yīng)急救生艙的浮力材料配置體積也應(yīng)盡可能小。

今后應(yīng)進(jìn)一步探究不同浮力材料形狀對(duì)深海應(yīng)急救生艙上浮過程的水動(dòng)力性能及水面耐波性能的影響。