水下滑翔機附加質量數值計算

楊 磊，曹軍軍，姚寶恒，曾 錚，連 璉

(上海交通大學 船舶與海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

水下滑翔機附加質量數值計算

楊 磊，曹軍軍，姚寶恒，曾 錚，連 璉

(上海交通大學 船舶與海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

水下滑翔機的附加質量對其運動狀態影響較大，本文采用了 Hess-Smith（面元法）方法編制了計算任意三維物體附加質量的程序，利用 Gambit 軟件對水下滑翔機進行網格劃分，計算出實驗室所研制的水下滑翔機附加質量，同時利用 CFD（Computational Fluid Dynamics）技術，結合動網格技術和 UDF（User-Defined Function），對水下滑翔機進行了 PMM（Planar Motion Mechanism）試驗模擬，并與 Hess-Smith 方法得到的結果進行對比，分析兩者之間的特點和各自優勢。

附加質量；水下滑翔機；面元法；PMM

0 引 言

水下滑翔機是通過改變自身重心和凈重力來進行水下運動，本身沒有外部推進裝置。它具有低能耗、低成本、適應性強等特點，進而可以完成長期大范圍的調研任務。它在物理海洋、生物海洋等領域具有廣泛的應用空間[1]。

隨著國內外對深潛器研究不斷深入，對其操縱性預報要求越來越高，而潛器的慣性力水動力可由附加質量進行推算，因此精確的附加質量計算對深潛器的設計十分重要。國內外對附加質量進行了大量的研究，目前獲取附加質量有以下幾種方法，對于規則形狀物體的附加質量可以利用圖譜進行查找[2]，對于復雜物體的附加質量可以使用 Hess-Smith 方法[3]，以求解出物體無升力繞流場的數值解。此外，也可以通過實驗的方式得到物體的附加質量，但其成本較高，適用范圍窄。隨著計算流體力學的飛速發展，CFD 方法也逐漸成為預報附加質量的有效方法。在船舶領域、潛艇領域、水陸兩棲車領域[4-6]等均有該方法的使用。但目前對水下滑翔機附加質量的研究較少，多數文獻采用簡化模型近似求解甚至直接使用相似滑翔機的結果，對運動仿真造成一定的偏差。

為了精確求解實驗室所研制的水下滑翔機附加質量，本文使用了 Hess-Smith 方法設計程序，同時利用Gambit 軟件對水下滑翔機表面進行網格劃分，獲取滑翔機表面節點信息，導入程序中求解矩陣從而得到結果；同時，本文利用 CFD 軟件對水下滑翔機的 PMM試驗進行模擬，利用動網格技術實現網格時時更新，UDF 實現了對滑翔機純垂蕩運動、純橫蕩運動、純首搖運動和純俯仰運動 4 種運動控制，通過對所受到的力和力矩的分析處理，得到附加質量。通過對比 Hess-Smith 法和 CFD 方法得到的附加質量，驗證了本文使用的 2 種計算方法可行性和準確性，進而對比兩者之間各自優劣，為對以后從事相關計算的人員提供參考意見和方法。

1 基于面元法的附加質量計算

1.1 基本方程和邊界條件

在不可壓縮勢流中，定常速度勢（Φ）在物體外部空間域中適合拉普拉斯方程，在物面上適合不可進入條件，在無窮遠處，應與均勻來流的速度勢吻合。在速度勢 Φ 中分出已知的均勻來流項，即可得到擾動速度勢 φ 的定解條件：

其中：式（2）在物體外部；式（3）在物體表面上；式（4）在無窮遠處；V 為物體運動速度，n 為物面單位法線向量，指向物體內部。

1.2 速度勢離散

假設流場中的場點 p（x, y, z），物面上的源點為q，在物面上布置強度為 σ（q）的 Rankine 源，則流場內任意點的速度勢為

其中：rpq為場點 p 和源點 q 之間的距離；s 為物面。

在式（5）兩端取法向導數，并令點 p 沿法線方向趨于物面上的點。式（5）右端分布源的法向導數由兩部分組成，一部分是 P 點附近小曲面 ε 貢獻的，另一部分是物面其他部分 s-ε 貢獻的。同時代入式（3）的邊界條件，可以得到：

將積分式（6）轉換成線性代數方程組，即把物面s 分成 N 小塊，小塊形狀可為三角形或四邊形，近似代替小曲面（Δsj）。本文采用三角形劃分，利用右手法則進行編號，得到單位向量，再通過三角形平均中心點進行投影，得到新的三角形 ΔQj代替原來的小曲面。因此，物面 s 上的積分可以用 N 個三角形上的積分之和近似，即：

將式（7）代入式（6）中，可以得到 σ 的 N 階線性代數方程組：

動點 p 是 N 個單元的中心點，通過 Gambit 軟件，對物體進行網格劃分，導出網格數據后，將節點信息導入程序中，即可求解出 σj的值，再通過式（5）得到速度勢 φ。本文將水下滑翔機表面進行網格劃分，其中網格為三角形，共計 907 個，利用各網格節點坐標生成近似圖，觀察網格劃分質量，如圖 1 所示。

圖 1 水下滑翔機三角形網格劃分Fig. 1 The generation of triangular mesh for an underwater glider

1.3 附加質量求解

當一個剛體在理想流體中做非定常運動時，會帶動周圍流體做加速運動，其所受到的流體力的大小與運動加速度成正比，方向則與加速度方向相反，這個比例系數即為附加質量 λij。一個任意形狀的物體運動時，會產生 36 個附加質量。

根據勢流理論[7]，可知：

由于水下滑翔機相對于 xoz 平面左右對稱，則附加質量中所有 i + j 為奇數的系數全部為 0。同時，本滑翔機機翼相對于 xoy 平面對稱，僅尾部上端布置了天線和平衡舵，因此相對于 xoy 平面是大致上下對稱的，則 λ13和 λ15很小，可以忽略。因此附加質量的矩陣形式為：

按照勢流理論知物體附加質量為：

式中，i, j=1, 2……6, φ1,2,3分別為剛體沿動系坐標軸 x, y, z 以單位速度平動時引起的流體速度勢，φ4,6,6則分別為剛體以單位角速度繞 x, y, z 軸以單位角度轉動時所引起的流體速度勢。因為擾動速度勢 φ 已得，因此可求出物體的附加質量。

本文對水下滑翔機進行了網格劃分，同時使用Fortran 軟件編寫程序，將網格節點信息導入后，即可得到水下滑翔機附加質量結果，如表 1 所示。

表 1 水下滑翔機附加質量Tab. 1 The added mass of an underwater glider

2 基于 CFD 軟件的附加質量計算

Fluent 軟件可提供動網格技術，動網格模型可以用來模擬流程形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題，利用 UDF 可以定義邊界的運動方式。本文則是對水下滑翔機進行 PMM 試驗模擬，從而得到附加質量。

2.1 計算方程

水下滑翔機 PMM 試驗主要包括：純升沉運動、純橫蕩運動、純俯仰運動、純搖首運動[8]。由于純升沉運動與純橫蕩運動類似，純俯仰運動與純搖首運動類似，本文僅寫出前兩者的運動方程和處理方法。

對于純升沉運動，其運動方程為：

其中：ζ 為滑翔機垂向位移；a 為滑翔機純升沉運動的振幅；分別為水下滑翔機縱傾角度和角速度；分別為水下滑翔機垂向速度和加速度。根據運動方程可知，滑翔機做純升沉運動的軌跡如圖 2 所示。

圖 2 水下滑翔機純升沉運動示意圖Fig. 2 The heaving motion of an underwater glider

根據水動力系數的含義可得到方程：

式中：Z 為運動過程中滑翔機受到的垂向力；M 為繞 y軸的力矩。

對于純俯仰運動，其運動方程為：

式中：θ0為滑翔機純俯仰運動縱傾角振幅，q 為角速度。

根據運動方程可知，滑翔機做純俯仰運動的軌跡如圖 3 所示。為了滿足純俯仰的運動條件，即模型縱軸時時保持與原點軌跡相切，可得到方程：

圖 3 水下滑翔機純俯仰運動示意圖Fig. 3 The pitching motion of an underwater glider

因為滑翔機的 PMM 試驗為小振幅運動，因而可以近似處理，其中，U 為滑翔機 x 方向上的來流速度。

2.2 CFD 計算準備

精確的計算結果和高質量的網格密不可分，由于水下滑翔機外形較為復雜，而四面體網格具有較好的貼體性，適應各類復雜形體，同時結構化網格質量高，網格數量少，結果精確，節省運算時間。因而將計算域分為內域和外域 2 個部分，內域采用非結構網格，而外域采用結構化網格。兼得兩者的優點，減少計算時間，提高精度。

圖 4為計算內、外域網格劃分和邊界條件說明圖，網格總數量約為 260 萬，其中入口邊界給定為VELOCITY_INLET，出口邊界為 OUTFLOW，水下滑翔機表面設為 WALL，壁面設為 VELOCITY_INLET 且速度與入口邊界相同。

湍流模型選取 SST k-ω 模型，壓力速度耦合選取SIMPLEC 算法，壓力插值采取 Standard 格式，動量、湍動能和湍流耗散率插值采用 Second Order Upwind格式。

在 Fluent 軟件中，需要編制以描述水下滑翔機運動的用戶自定義函數（UDF），本文根據水下滑翔機PMM 試驗所對應的運動方程如式（12）和（14）來編制 UDF 程序，其中 DEFINE_CG_MOTION 函數控制滑翔機的運動，COMPUTE_FORCE_AND_MOMENT 函數用于得到滑翔機每一時刻的力和力矩，并通過FPRINTF 函數記錄和存儲在文件中。

2.3 結果處理與分析

以純升沉運動為例，設定振幅 a = 300 mm，來流速度 v = 0.3 m/s，滑翔機長度為 L = 2 m，海水密度 ρ = 1 025 kg/m3。為了使迭代時間歩長取整數，頻率 f 設置為：0.2, 0.4, 0.5, 0.625。以 f 為 0.4 時為例，周期是 2.5 s，因此 fluent 中設置計算步長為 0.01 s，每個周期需要250 步完成，計算 3～5 個周期后結束，利用數據的結果，在 Origin 軟件中進行處理。取時間靠后結果較為穩定的數據進行擬合，如圖 5 和圖 6 所示。

圖 4 計算域內域和外域網格劃分Fig. 4 The mesh of internal and external flow domain

圖 5 純升沉運動 f = 0.4 時垂向力 Z 的變化Fig. 5 The changes of force in Z-direction when the frequency of heaving motion is 0.4

圖 6 純升沉運動 f = 0.4 時繞 Z 軸力矩的變化Fig. 6 The changes of moment around Z-direction when the frequency of heaving motion is 0.4

Origin 軟件具有自定義擬合函數的功能，利用式（13）編寫出相應的擬合函數，從而得到高精度的擬合結果。

當 f = 0.4 時，得到擬合力和力矩的曲線函數為：

通過計算多個頻率下的純升沉運動，并進行曲線擬合，最終可以得到如表 2 所示的結果。

根據表 2 的結果，通過最小二乘法擬合得到無因次的加速度系數，如圖 7 所示。

表 2 純升沉運動擬合結果Tab. 2 The fitting results in heaving motion

圖 7 利用最小二乘法計算加速度系數Fig. 7 The acceleration coefficients applying the least square method

類似于純升沉運動，可以得到其他幾組運動的結果，結果如表 3 和表 4 所示。

通過表 3 和表 4 可見，使用 PMM 試驗模擬結果與利用面元法得到的結果之間差別較小，最大誤差小于11%，滿足實際工程需求。

表 3 純升沉和純橫蕩運動結果Tab. 3 The results in heaving and swaying motions

表 4 純俯仰和純搖艏運動結果Tab. 4 The results in pitching and yawing motions

3 結 語

本文通過面元法編寫程序得到水下滑翔機附加質量，同時結合 PMM 試驗原理，利用 Fluent 軟件和動網格技術，得到給定運動下的水動力和力矩，從而得到水下滑翔機的慣性水動力系數，通過對計算結果分析，可以得到：

1）對于水下滑翔機，Hess-Smith 面元法程序和Fluent 仿真得到的附加質量結果均比較精確，滿足工程需求。

2）相比于 Fluent 軟件仿真需要花費較多時間多次建模與計算，Hess-Smith 方法僅需要重新劃分物體的面網格，節省大量時間，但編寫程序較為復雜。

3）本文提供了計算水下滑翔機附加質量的 2 種方法，介紹了兩者原理與優劣，同時得到精確的附加質量，驗證了 2 種方法的可行性和準確性，對水下滑翔機的水動力設計和運動仿真具有重要指導意義和參考價值。

[1]ZHANG S W, YU J C. Spiraling motion of underwater gliders: modeling, analysis, and experimental results[J]. Ocean Engineering, 2013, 60: 1–13.

[2]孟凡豪. 50 kg級水下自航行器整體水動力學性能優化設計[D]. 杭州: 中國計量學院, 2014: 56–57. MENG Fan-hao. Shape optimization design of 50 kilograms autonomous underwater vehicle based on hydraulic characteristics[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2014: 56–57.

[3]林超友, 朱軍. 潛艇近海底航行附加質量數值計算[J]. 船舶工程, 2003, 25(1): 26–29. LIN Chao-you, ZHU Jun. Numerical computation of added mass of submarine maneuvering with small clearance to sea-bottom[J]. Ship Engineering, 2003, 25(1): 26–29.

[4]楊勇, 鄒早建, 張晨曦. 深淺水中KVLCC船體橫蕩運動水動力數值計算[J]. 水動力學研究與進展, 2011, 26(1): 85–93. YANG Yong, ZOU Zao-jian, ZHANG Chen-xi. Calculation of hydrodynamic forces on a KVLCC hull in sway motion in deep and shallow water[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics, 2011, 26(1): 85–93.

[5]孫銘澤, 王永生, 張志宏, 等. 基于網格變形技術的全附體潛艇操縱性計算[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2013, 37(2): 420–424. SUN Ming-ze, WANG Yong-sheng, ZHANG Zhi-hong, et al. Numerical simulation of submarine maneuverability based on mesh deformation technology[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2013, 37(2): 420–424.

[6]黃勁, 余志毅, 劉朝勛, 等. 基于CFD的兩棲車輛水動力導數的計算方法[J]. 車輛與動力技術, 2014(2): 39–43. HUANG Jin, YU Zhi-yi, LIU Chao-xun, et al. Numerical method for hydrodynamic coefficients of an amphibious vehicle based on CFD[J]. Vehicle & Power Technology, 2014(2): 39–43.

[7]馬騁, 連璉. 水下運載器操縱控制及模擬仿真技術[M]. 北京:國防工業出版社, 2009. MA Cheng, LIAN Lian. Maneuvering control and simulation technology of underwater vehicles[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009.

[8]張曉頻. 多功能潛水器操縱性能與運動仿真研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學, 2008: 25–26. ZHANG Xiao-pin. Research on maneuverability and motion simulation of multifunction vehicle[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2008: 25–26.

Numerical method for added mass of an underwater glider

YANG Lei, CAO Jun-jun, YAO Bao-heng, ZENG Zheng, LIAN Lian
(Naval Architecture and Ocean Engineering National Laboratory, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Added mass of an underwater glider is quite important for the motions of glider. In this paper, the added mass of an arbitrary three-dimensional body is obtained through Hess-Smith method. Then an underwater glider which was designed by our laboratory is meshed by Gambit software in order to obtain its added mass. Besides, the Planar Motion Mechanism (PMM) tests of the glider are simulated by using CFD software, dynamic mesh technique and UDF. By comparing with the Hess-Smith results, the characters and advantages of Hess-Smith method and PMM are analyzed.

added Mass；underwater glider；Hess-Smith；PMM

U661.33；P715.5

A

1672–7619(2016)12–0116–05

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.023

2016–05–23；

2016–06–12

國家自然科學基金資助項目(51279107；41527901)；上海市科委項目基金資助項目(13dz1204600)

楊磊(1993–)，男，碩士研究生，研究方向為水下航行器水動力分析及仿真。