潛浮式無人船多工況阻力試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

侯遠(yuǎn)杭，安廣碩，蘇琳芳，梁 霄，姜?jiǎng)俪?/p>

（1.大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院遼寧大連， 116026；2.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引 言

半潛式無人航行器是一種主船體在水下、只有小部分平臺(tái)結(jié)構(gòu)露出水面[1]、在自由液面下一定深度潛伏航行的新式航行器[2]。與普通的水面航行器相比，半潛式無人航行器的主船體能規(guī)避波浪的影響，大大減小船體的興波阻力[3]，避免了波浪對主船體砰擊造成的船體結(jié)構(gòu)損傷等問題。

文獻(xiàn)[4]提出了一種主船體加翼型浮箱的半潛式無人航行器設(shè)計(jì)，并通過CFD 方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了船型優(yōu)化的問題。該半潛式無人航行器翼型浮箱頂部露出水面，安裝通訊導(dǎo)航設(shè)備，并為船體提供儲(chǔ)備浮力和恢復(fù)力矩。

潛浮式無人船是基于半潛式無人航行器的原理開發(fā)的一種高性能新概念船型，具有跨潛深航行的能力[5]。在水面低速航行時(shí)，能減少水下航行時(shí)大濕表面積引起的較大的摩擦阻力；當(dāng)海況惡劣時(shí)，其可以潛到一定的深度，避免受到海面洶涌海浪的影響[6]。完全浸沒潛深工況下該型船能避免船體在波浪上劇烈搖蕩引起的砰擊，降低船體結(jié)構(gòu)的偶然載荷[7]，也能避免因螺旋槳出水引起的飛車現(xiàn)象，能夠改善船舶的航行性能。并且由于具有良好的隱身性，潛浮式無人船在科學(xué)研究、商業(yè)活動(dòng)和國防等領(lǐng)域獲得了較高的關(guān)注[8]。

近年來北極航線成為國際航運(yùn)業(yè)的熱點(diǎn)，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，北冰洋的海冰平均厚度約為3 m，總體上10月份海冰重新結(jié)成，4月份開始融化[9]；“東北航道”沿線水域夏季近岸側(cè)冰量較少，且硬度和厚度明顯降低，可以滿足通航要求，并且商業(yè)化航行的條件比較成熟。潛浮式運(yùn)輸船如果應(yīng)用于北極航線，在航行時(shí)遇到浮冰可以潛至浮冰以下航行，較普通船舶而言，受季節(jié)限制較小，無需破冰船輔助，也降低了航運(yùn)成本，具有很大的研究潛力。

文獻(xiàn)[10]提出了一種由主船體、一對主翼和一對水平尾翼組成的潛浮式無人船，如圖1 所示。并通過直線拖曳試驗(yàn)和圓周運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)分析了船模在各種垂直和橫向運(yùn)動(dòng)條件下的水動(dòng)力特性，驗(yàn)證了該船型配置的可行性，值得進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[11]中提到了一種已經(jīng)投入使用的潛浮式運(yùn)輸船，如圖2所示，該船在潛伏航行時(shí)幾乎無法被雷達(dá)、聲納等監(jiān)測到，并且建造成本比潛艇低，可以應(yīng)用于軍事行動(dòng)或執(zhí)行特種運(yùn)輸任務(wù)。

圖1 潛浮式無人船[10]Fig.1 Semi-submersible unmanned vehicle[10]

圖2 潛浮式運(yùn)輸船[11]Fig.2 Semi-submersible transport ship[11]

本文針對一種潛浮式無人船的多航行工況開展阻力性能試驗(yàn)，并通過STAR-CCM+對船模的阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，對各航行工況下不同航速試驗(yàn)與計(jì)算的阻力結(jié)果以及該船模的水動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 船模阻力試驗(yàn)

1.1 船模參數(shù)

本研究只考慮該型潛浮式無人船主船體的阻力，忽略附體對阻力的影響。試驗(yàn)船模的主尺度及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)船模參數(shù)Tab.1 Principal dimensions of the experimental ship model

本船模采用數(shù)控加工設(shè)備加工制作完成，船模加工精度符合ITTC 要求，模型加工完成后在平臺(tái)上勘劃水線.船體模型整體和局部外觀如圖3所示。

圖3 船體模型外觀Fig.3 Appearance of the ship model

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)測試不同潛深情況下的模型阻力，每種潛深情況下測試速度為0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.1 m/s、1.2 m/s、1.3 m/s、1.4 m/s、1.5 m/s、1.6 m/s 和1.7 m/s 的靜水阻力。對應(yīng)的Fr范圍是0.1010～0.4291，Re的范圍是0.5284×106到2.2459×106。工況0#到5#對應(yīng)的潛深分別為0 m、0.054 m、0.32 m、0.48 m、0.64 m 和0.96 m，如圖4所示。

圖4 各潛深工況示意Fig.4 Cases of each submergence depth

拖曳試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5 所示，可見0#與1#工況具有明顯的興波特征，且符合常規(guī)水面船舶興波幅度隨航速的變化特點(diǎn)，其他工況均為水下潛航，船體周圍流場變化無法通過現(xiàn)有儀器與技術(shù)手段精確觀測，可根據(jù)阻力變化特點(diǎn)與后續(xù)數(shù)值計(jì)算予以分析。

圖5 拖曳試驗(yàn)現(xiàn)場照片（工況0#～5#）Fig.5 Towing test site(Cases 0#-5#)

通過對船模進(jìn)行各潛深情況下不同速度的拖曳試驗(yàn)，得到了該潛浮式無人船模型的阻力試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 無人船阻力試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Unmanned ship resistance test results

2 計(jì)算模型的建立與設(shè)置

利用對稱性，只考慮半個(gè)船體的流場，可以節(jié)約資源提高計(jì)算效率。計(jì)算域范圍由船首向前延伸1 倍船長，由船尾向后延伸2 倍船長；由船體中縱剖面向左延伸2 倍船長；垂直方向由水線面向上延伸1倍船長，向下延伸2倍船長。

網(wǎng)格分布應(yīng)該做到稀疏合理，既要保證計(jì)算結(jié)果的精度，又要提高計(jì)算的效率。流場邊緣受船體運(yùn)動(dòng)影響很小，網(wǎng)格稀疏。船體附近的參數(shù)變化很大，網(wǎng)格較密。對船體艏艉型線變化較大處的網(wǎng)格進(jìn)行加密。0#和1#工況下，為了捕捉自由液面處的興波，要對自由液面附近的網(wǎng)格加密，加密厚度隨速度升高而增大。0#網(wǎng)格數(shù)約為65 萬～115 萬；1#網(wǎng)格數(shù)約為75 萬～170 萬。完全浸沒潛深工況（2#～5#）不受興波阻力，無需對自由液面網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)約為35萬。

圖6所示為0#、5#工況下航速為1.0 m/s時(shí)網(wǎng)格的對比圖，圖7為0#工況下艏艉網(wǎng)格加密圖。

圖7 0#工況下艏艉網(wǎng)格加密Fig.7 Mesh encryption of bow and stern at Condition 0#

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 阻力分析

通過在STAR-CCM+中對各個(gè)潛深情況下不同速度的阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了該型潛浮式無人船的阻力計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

表3 無人船阻力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Unmanned ship resistance calculation results

各工況下阻力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖8 所示。可以看出在STAR-CCM+中數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)值較為接近，趨勢一致；0#和1#下由于船體興波情況復(fù)雜且隨機(jī)性強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差較大；完全浸沒潛深工況（2#～5#）下采用更加細(xì)致的邊界層計(jì)算方法，阻力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，絕大部分偏差都能控制在10%以內(nèi)。總體來看，采用本方法進(jìn)行數(shù)值模擬具有可行性。

圖8 各工況下阻力試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對比Fig.8 Comparison of resistance between test and calculation results under various working conditions

將上述阻力計(jì)算結(jié)果與2.3節(jié)中阻力試驗(yàn)結(jié)果分別繪制成曲線，如圖9～10所示，對各個(gè)潛深工況不同速度下該型潛浮式無人船的阻力做出如下分析。

圖9 阻力計(jì)算結(jié)果Fig.9 Resistance calculation result

圖10 阻力試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Resistance test result

在同一潛深工況下，隨著航速的增大，船體表面切應(yīng)力增大，摩擦阻力增大。在完全浸沒潛深工況（2#～5#）下，浸沒的深度越小，船體表面與自由液面間的流體受擠壓程度越高，流速越大，船體所受摩擦阻力越大；并且根據(jù)史密斯效應(yīng)，波浪引起的壓力變化隨水深呈指數(shù)衰減。所以在航速較低（v＜1.4 m/s）時(shí)，船體興波不明顯，2#～5#間阻力差異不大；當(dāng)航速較高（v＞1.4 m/s）時(shí)，2#與3#間總阻力相差10%～20%，3#與4#間總阻力相差5%～10%，而4#與5#間總阻力相差小于3%，可以看出在5#的潛深范圍，自由液面的波浪對船體附近流體的影響甚微。所以整體來看，當(dāng)達(dá)到一定潛深后，船體所受總阻力變化并不顯著。

水面航行工況（0#）下濕表面積較其他工況小，因?yàn)楹剿佥^低時(shí)興波阻力不大，所以0#的總阻力比其他工況小；而航速較高時(shí)，興波阻力成為阻力的主要組成部分，導(dǎo)致總阻力迅速增大。

邊緣潛深工況（1#）下，濕表面積與完全浸沒潛深工況（2#～5#）差異不大，航速較低時(shí)興波阻力較小，所以總阻力與完全浸沒潛深工況接近；而航速較高時(shí)，興波阻力成為阻力的主要組成部分，并且波浪對船體上表面具有強(qiáng)烈的砰擊作用，總阻力增幅顯著。

3.2 興波分析

通過監(jiān)測潛浮式無人船在水面航行工況（0#）下船體附近自由液面的高度，可以分析航行過程中船體的興波形況。圖11為0#工況下不同航速時(shí)船體周圍的興波情況。

圖11 0#工況不同航速下船體興波Fig.11 Wave making of hull in different speeds at 0#

可以看出，在低速航行時(shí)，船體左右兩側(cè)興波不太明顯，船艏部的自由液面無明顯的升高。隨著航速的提高，船體周圍興波現(xiàn)象逐漸顯著，船體艏艉駐點(diǎn)興波作用最強(qiáng)，波峰顯著增高，船艏產(chǎn)生明顯的上浪，船艉后自由液面也有明顯升高。圖12所示為航速為1.7 m/s時(shí)艏艉的自由液面。從能量觀點(diǎn)來看，船體必須提供興波的波能，即克服興波阻力作功。隨著航速的提高，船行波的波寬和波高顯著增大。而波能和波高的平方與波寬成正比，所以興波阻力隨航速的增加而迅速增加。

圖12 v=1.7 m/s時(shí)艏艉自由液面Fig.12 Free surface of the bow and stern when v=1.7 m/s

水面航行工況（0#）和邊緣潛深工況（1#）下，高速航行時(shí)，艏艉駐點(diǎn)附近興波最強(qiáng)，自由液面最高，船體中部自由液面下降，產(chǎn)生一個(gè)明顯的凹陷。并且邊緣潛深工況（1#）下船體中后部波浪不連續(xù)，流體運(yùn)動(dòng)紊亂。圖13所示為1#工況下航速為1.7 m/s時(shí)船體中后部自由液面下的興波情況。

圖13 1#工況下v=1.7 m/s時(shí)船體興波Fig.13 Wave making of hull when v=1.7 m/s at 1#

3.3 壓力分析

通過STAR-CCM+對船體周圍流場進(jìn)行可視化處理，可以直觀地反應(yīng)船體表面壓力分布情況。對比水面航行工況（0#）和邊緣潛深工況（1#）不同航速下的壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)，在航速低于1 m/s 時(shí)，由于沒有產(chǎn)生劇烈的興波，船體表面的壓力分布在水線以下隨深度的增加而均勻增大。圖14所示為0#和1#工況下航速為0.8 m/s時(shí)船體表面壓力云圖。

圖14 v=0.8 m/s時(shí)船體表面壓力云圖Fig.14 Hull surface pressure cloud map when v=0.8 m/s

在航速較大時(shí)，由于產(chǎn)生劇烈興波，船艏自由液面高度升高，船中部自由液面產(chǎn)生凹陷，所以船艏自由液面附近壓力增大，船中自由液面附近壓力降低；并且船體球艏部分形成駐點(diǎn)，在駐點(diǎn)處，由于流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，導(dǎo)致該處壓力最大。船艏和船中之間存在的流體動(dòng)壓力差也造成了阻力的增加。圖15所示為0#和1#工況下航速為1.7 m/s時(shí)船體表面壓力云圖以及球艏?jí)毫υ茍D。

圖15 v=1.7 m/s時(shí)船體表面壓力云圖Fig.15 Hull surface pressure cloud map when v=1.7 m/s at 0#and 1#

在浸沒潛深工況（2#～5#）下，由于無興波現(xiàn)象，所以船體表面壓力隨深度的增加而均勻增大，但是船艏艉流體動(dòng)壓力差相差不大，所以航速相同時(shí)，各浸沒潛深工況之間阻力相差較小。圖16 所示為2#和5#工況下速度為1.7 m/s時(shí)船體表面壓力云圖。

圖16 v=1.7 m/s時(shí)船體表面壓力云圖Fig.16 Hull surface pressure cloud map when v=1.7 m/s at 2#and 5#

3.4 船體表面流場分析

通過STAR-CCM+對船體周圍流場進(jìn)行可視化處理，可以直觀地反應(yīng)船體表面流線的分布情況。對比水面航行工況（0#）和邊緣潛深工況（1#）下不同航速的流線圖可以發(fā)現(xiàn)，船舶低速航行時(shí)船體表面流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)較為均勻、穩(wěn)定；高速航行時(shí)船體表面流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)逐漸紊亂，形成非常明顯的漩渦，并且隨著速度的增加流場的紊亂程度逐漸增加。由于船體需要不斷地為艉部形成的漩渦提供能量，這部分的能量耗散便以粘壓阻力的形式表現(xiàn)，所以隨航速提高粘壓阻力也逐漸增大。圖17 所示為0#和1#工況下速度分別為0.4 m/s、1.7 m/s 時(shí)船體表面流線分布圖。圖18 所示為1#工況下航速為1.7 m/s時(shí)船艏和船艉流線分布圖。

圖17 0#工況船體表面流線圖Fig.17 Hull surface streamline at 0#

圖18 1#工況v=1.7 m/s船艏船艉流線圖Fig.18 Bow and stern streamline when v=1.7 m/s at 1#

圖19 為1#工況下航速為1.7 m/s 時(shí)船體中縱剖面速度分布圖和水的體積分?jǐn)?shù)圖，結(jié)合圖13 可以看出，在該工況下船體上浪嚴(yán)重，整個(gè)船體被湮沒，流體對船體的作用劇烈且隨機(jī)性很強(qiáng)；由于船艉型線變化較大，增加了該處流場的復(fù)雜程度，流體分離嚴(yán)重，在該區(qū)域內(nèi)流體的速度變化非常明顯。

圖19 中縱剖面圖Fig.19 Mid-length section

在完全浸沒潛深工況（2#～5#）下，船體表面流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)均勻穩(wěn)定，隨航速的增加無明顯的紊亂現(xiàn)象。圖20所示分別為5#工況下航速為0.4 m/s和1.7 m/s時(shí)船體表面流線分布圖，可以看出在浸沒潛深工況下，即使航速顯著提高，船體表面的流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)仍十分均勻，沒有形成明顯的漩渦，所以粘壓阻力也較小。

圖20 5#工況不同航速時(shí)流線圖Fig.20 Streamlines in different speeds at 5#

4 結(jié) 論

本文通過對潛浮式無人船多工況阻力試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)合STAR-CCM+對船體周圍興波、船體表面壓力以及船體附近流場進(jìn)行可視化處理的結(jié)果.可以得出以下結(jié)論：

（1）低速航行（v＜1.4 m/s）時(shí)，水面航行工況（0#）下的濕表面積較其他工況小，摩擦阻力較??；并且船體附近無明顯的興波現(xiàn)象，興波阻力不大，波浪對船體的砰擊也較弱。所以0#工況的總阻力與潛深工況（1#～5#）相比稍小，但無較大差異.所以在平靜的海面低速航行時(shí)，各航行工況的阻力差別不顯著，可根據(jù)具體情況選擇不同的航行工況。

（2）高速航行（v＞1.4 m/s）時(shí)，水面航行工況（0#）和邊緣潛深工況（1#）船體興波明顯，船艏產(chǎn)生明顯的上浪。1#工況下船體被波浪湮沒，波浪對船體的作用劇烈且隨機(jī)性很強(qiáng)，隨航速增加興波阻力迅速增大，成為阻力的主要組成部分。

（3）完全浸沒潛深工況（2#～5#）下，船體不受興波影響，總阻力較小。低速航行時(shí)各工況間阻力差異不大；高速航行時(shí)，2#工況下船體受自由液面波浪影響比其余工況大，總阻力較大；在達(dá)到一定潛深范圍后，自由液面的波浪對船體的影響不大，船體所受總阻力差異并不顯著。所以在平靜海域高速航行時(shí)，應(yīng)選擇航行阻力最小的深潛工況。在惡劣海況下航行時(shí)，為了避免船體因波浪劇烈砰擊引起的偶然載荷，以及因螺旋槳出水引起的飛車現(xiàn)象，應(yīng)選擇完全浸沒潛深工況（2#～5#），以改善船舶的航行性能。

本文研究并總結(jié)了潛浮式無人船在靜水中多工況的水動(dòng)力性能，可為該船型在工程中的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)和支持。在進(jìn)一步的研究工作中，還可以考慮以下問題：潛浮式無人船多工況下所受側(cè)向力、升力、偏航力矩、縱傾力矩等隨潛深和航速變化的規(guī)律;為了更加貼近實(shí)際的航行環(huán)境，考慮波浪的影響，研究潛浮式無人船多工況水動(dòng)力性能。