無(wú)人艇動(dòng)穩(wěn)性試驗(yàn)與數(shù)值驗(yàn)證

馮月衛(wèi)，王 輝，周 杰

(1.南通中遠(yuǎn)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(jì)是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的世紀(jì)，人類(lèi)利益爭(zhēng)奪的觸角已經(jīng)投向遙遠(yuǎn)的太空、宇宙以及廣闊的海洋。其中海洋所蘊(yùn)藏的巨大經(jīng)濟(jì)利益以及在政治上的重要地位，使得各國(guó)對(duì)海洋權(quán)利的爭(zhēng)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(duì)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(wú)人艇(USV)［2］。

無(wú)人艇在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用涉及到情報(bào)、偵察和監(jiān)視(ISR)、水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、反艦戰(zhàn)、力量保護(hù)、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(guó)海軍對(duì)于無(wú)人艇的一系列前沿應(yīng)用表現(xiàn)出越來(lái)越濃厚的興趣，無(wú)人艇研究項(xiàng)目持續(xù)推進(jìn)，新船型應(yīng)用逐漸增多，自主性不斷提高。

無(wú)人艇的動(dòng)穩(wěn)性是一個(gè)重要的性能指標(biāo)［3］。國(guó)內(nèi)外關(guān)于滑行艇動(dòng)穩(wěn)性的研究和實(shí)驗(yàn)很少，尚未形成可以參考的理論成果。在無(wú)人艇動(dòng)穩(wěn)性方面展開(kāi)研究和試驗(yàn)是具有開(kāi)創(chuàng)性和挑戰(zhàn)性的一個(gè)方向。

1 模型試驗(yàn)

關(guān)于滑行表面的水動(dòng)力計(jì)算研究起源于20世紀(jì)40年代NACA 在蘭利的拖曳實(shí)驗(yàn)［4］，基于這些實(shí)驗(yàn)后續(xù)的許多相關(guān)研究才得以展開(kāi)。無(wú)人艇的水動(dòng)力系數(shù)具有非線性，要準(zhǔn)確確定這些水動(dòng)力系數(shù)可靠的方法是通過(guò)模型試驗(yàn)獲得。無(wú)人艇模型試驗(yàn)主要測(cè)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(guò)調(diào)整、確定無(wú)人艇部分參數(shù)，建立參數(shù)對(duì)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(duì)于高速橫傾航行的船舶模型試驗(yàn)，據(jù)目前資料顯示，類(lèi)似的試驗(yàn)只有英國(guó)南安普頓大學(xué)的水池實(shí)驗(yàn)室做過(guò)，如圖1所示，該研究橫傾航行的船舶模型試驗(yàn)主要用于帆船的設(shè)計(jì)。對(duì)于高速航行橫傾時(shí)滑行艇水動(dòng)力系數(shù)測(cè)量的模型試驗(yàn)，難度系數(shù)更高，此試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)尚屬首次，在試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案的確定等方面都是試驗(yàn)的困難所在。

圖1 Wolfson Unit模型試驗(yàn)圖Fig.1 Model test of Wolfson Unit

1.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)中滑行艇試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)船的比例關(guān)系為1∶2.5，主要對(duì)滑行艇的強(qiáng)迫橫傾進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)是在中國(guó)特種飛行器設(shè)計(jì)研究所的高速拖曳水池進(jìn)行的。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕獏?shù)如下:

模型如圖2所示。

圖2 無(wú)人艇試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Experimental model of USV

在本試驗(yàn)中需要固定無(wú)人艇模型橫向角度，保持其他方向自由度自由運(yùn)動(dòng)，以傅汝德?lián)Q算速度拖曳模型，測(cè)量相應(yīng)狀態(tài)的恢復(fù)力矩，同時(shí)測(cè)量縱傾角、升沉。試驗(yàn)測(cè)量幾個(gè)不同角度的相應(yīng)數(shù)值。為了保證實(shí)現(xiàn)該功能，設(shè)計(jì)了橫傾固定的輔助試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了垂向的無(wú)約束滑動(dòng);砝碼是為了抵消裝置自身重力對(duì)于試驗(yàn)的影響。

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

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

1.2 試驗(yàn)可靠性驗(yàn)證

由于本試驗(yàn)是首次使用自行設(shè)計(jì)的橫傾固定裝置對(duì)無(wú)人艇的阻力、縱傾角、升沉、恢復(fù)力矩等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，為驗(yàn)證這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在此之前先進(jìn)行正常拖曳式阻力試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比得到固定橫傾裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性程度。

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

圖4 阻力曲線對(duì)比Fig.4 Resistance curve contrast

圖5 縱傾角曲線對(duì)比Fig.5 Trim Angle curve contrast

圖6 升沉曲線對(duì)比Fig.6 Heave curve contrast

從拖線式船模阻力試驗(yàn)和固定橫傾裝置阻力試驗(yàn)2 組數(shù)據(jù)對(duì)比中可以得到，縱傾角和升沉除了在個(gè)別點(diǎn)之外，整體趨勢(shì)和測(cè)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(shì)上是相同的，整體誤差在11%左右，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理之后才能進(jìn)一步使用。阻力值在測(cè)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(guò)大(300kgf)引起的精度損失;直航過(guò)程中在套桿處產(chǎn)生的慣性力引起的滑動(dòng)摩擦力增大。

1.3 固定橫傾角高速直航試驗(yàn)

試驗(yàn)中無(wú)人艇固定橫傾角實(shí)際測(cè)量值分別為4.5°，11°，18°，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3和表4。

2 試驗(yàn)數(shù)值驗(yàn)證

本節(jié)采用Fluent 軟件對(duì)橫傾試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并將計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)中無(wú)人艇固定橫傾角實(shí)際測(cè)量值分別為4.5°，11°，18°，在本節(jié)中對(duì)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(shí)的情況進(jìn)行模擬，共計(jì)12 種工況。

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型的尺寸和試驗(yàn)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(jì)算模型。

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

2.2 計(jì)算域的選取及邊界條件的設(shè)置

計(jì)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(jì)算域右端為速度入口，計(jì)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(jì)算網(wǎng)格是CFD的一個(gè)重要課題［5］，劃分網(wǎng)格是建立計(jì)算模型中難度最大的部分，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐值暮脡牟粌H決定了能否得到正確解，還決定了求解時(shí)間的長(zhǎng)短［6－7］。由于計(jì)算域范圍較大，而計(jì)算主要關(guān)心的滑行艇附近的流場(chǎng)，所以滑行艇附近網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離滑行艇的計(jì)算區(qū)域逐漸變疏，但要注意網(wǎng)格疏密過(guò)渡時(shí)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?chē)⒁粋€(gè)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(jì)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(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)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(yǔ)

設(shè)計(jì)了無(wú)人艇橫傾直航試驗(yàn)并驗(yàn)證了試驗(yàn)裝置的可靠性。測(cè)量了橫傾角為4.5°，11°，18°時(shí)的阻力、橫向力、恢復(fù)力矩等水動(dòng)力參數(shù)，并且采用Fluent 軟件對(duì)其中的12 種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合度較好。數(shù)值計(jì)算方法能為船模試驗(yàn)提供技術(shù)參考，為布局優(yōu)化問(wèn)題的進(jìn)一步探索提供了有利依據(jù)。

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