波浪條件下載人潛水器水動力性能分析

趙慶新，丁忠軍，張 奕，任玉剛，劉保華

（1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199；2.國家深海基地管理中心，山東 青島 266061）

0 引 言

載人潛水器作為人類認(rèn)識海洋、了解海洋和深入海洋的重要工具之一，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是潛航員和科學(xué)家水下活動的最大安全保障。由于潛水器在海面上停留時間較短，一直以來很少有人關(guān)注載人潛水器在近海面受到的波浪載荷對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)造成的影響。但載人潛水器在作業(yè)過程中可能會遇到各種突發(fā)情況，如“蛟龍”號載人潛水器在執(zhí)行某一潛次任務(wù)時水面回收系統(tǒng)出現(xiàn)了故障導(dǎo)致載人潛水器在海面上停留了十余個小時。該航次返回后對潛水器進(jìn)行檢修時，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)出現(xiàn)大量損傷。王北田等[1]采用勢流理論計算了載人潛水器在近水面受到的波浪升力，主要解釋了潛水器在近海面出現(xiàn)的空吸現(xiàn)象；朱克強(qiáng)等[2]模擬了帶有臍帶纜的潛水器（ROV）的強(qiáng)非線性流體動力學(xué)性能，主要用于控制方面的研究；馬嶺等[3]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法模擬了載人潛水器的潛浮運動。波浪條件下潛水器水動力性能研究主要集中于控制、布放回收和快速性等方面[4-9]，而關(guān)于波浪對潛水器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的影響研究較為少見。

“蛟龍”號載人潛水器是世界上下潛深度最深的作業(yè)型載人潛水器，每個航次后都會進(jìn)行結(jié)構(gòu)探傷，每次探傷都會發(fā)現(xiàn)潛水器尾部穩(wěn)定翼附近的4個浮力塊和部分焊縫出現(xiàn)損傷，損傷原因初步判定是由波浪載荷導(dǎo)致的，故進(jìn)行波浪條件下載人潛水器水動力性能分析是非常有必要的。

本文以“蛟龍”號載人潛水器為研究對象，采用商業(yè)軟件Star CCM+，計算波浪條件下載人潛水器水動力性能，重點分析穩(wěn)定翼受力情況，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)損傷分析提供依據(jù)。

1 載人潛水器物理模型

研究對象為“蛟龍”號載人潛水器。“蛟龍”號載人潛水器是一艘由我國自行設(shè)計、自主集成研制的載人潛水器，最大下潛深度達(dá)到了7062 m。“蛟龍?zhí)枴痹诖笱?5航次、第100潛次任務(wù)中上浮至水面后，由于母船回收裝置出現(xiàn)故障，導(dǎo)致“蛟龍”號漂浮在海面長達(dá)十余個小時，并且該航段所在的調(diào)查海域海況較為惡劣，該航次后結(jié)構(gòu)探傷發(fā)現(xiàn)的損傷數(shù)目較多。故本研究計算工況將參照該航段的惡劣海況。

因為損傷經(jīng)常性地出現(xiàn)在潛水器尾部穩(wěn)定翼附近，故為簡便計算，在不對計算結(jié)果造成大的影響的前提下對模型進(jìn)行了一定程度的簡化，省去了推進(jìn)器、采樣籃、機(jī)械臂及部分凸出的設(shè)備，本體及計算模型見圖1，其主尺度參數(shù)為：長約8.2 m，寬約3 m，高約3.4 m，空氣中總重25 t，最大航速2.5 kn，巡航航速1 kn。

圖1“蛟龍”號及計算簡化模型Fig.1“Jiaolong”manned submersible and simplified calculational model

2 CFD計算方法

本文CFD計算采用商業(yè)軟件Star CCM+，控制方程主要包括連續(xù)方程和RANS方程：

式中，ui、uj和p為時均量為雷諾應(yīng)力項，ρ和μ分別為流體的密度和動力粘性系數(shù)。

利用5 階VOF 波模型[10]模擬波浪，采用VOF（volume of fluid）方法[11]捕捉自由液面，湍流模型采用SSTk-ω模型，具體參數(shù)選擇見參考文獻(xiàn)[12～13]。計算域見圖2，由于本文所用波長較長，計算域長約19L，寬和高約為9L，L為載人潛水器長。計算域左右壁面設(shè)為對稱邊界，來流入口設(shè)為速度入口，其余均設(shè)為壓力出口。劃分網(wǎng)格時對水面附近及潛水器周圍進(jìn)行了局部加密，如圖3，此時水線位于載人潛水器中軸線上，同在加密區(qū)內(nèi)。

圖2 計算域Fig.2 Computational domain

圖3 計算網(wǎng)格Fig.3 Computing grid

為進(jìn)行網(wǎng)格敏感性驗證，采用Star CCM+劃分了5 個分辨率不同的直角網(wǎng)格。通過調(diào)整網(wǎng)格的基本大小，同時保持其他設(shè)置不變，可以更改網(wǎng)格密度等級。選擇值0.5 作為100%基本大小，總共生成了266 萬個網(wǎng)格。然后將網(wǎng)格的基本大小更改為1.13（226%），0.935（187%），0.635（127%）和0.335（67%），生成43 萬、59 萬、113 萬和398 萬個網(wǎng)格。采用兩層ally+壁面處理方法捕獲了邊界層，y值保持在30～300范圍內(nèi)。網(wǎng)格設(shè)置基于網(wǎng)格細(xì)化比rG。通常，rG的定義是粗單元大小與細(xì)單元大小之比，對于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，細(xì)化因子很容易計算：

其中，網(wǎng)格總數(shù)記為N，d是計算問題的維數(shù)，在本研究中其值為3。本文由密到中（或者中到粗）網(wǎng)格的細(xì)化比與參考文獻(xiàn)[14]中的一致。在無波浪、進(jìn)流速度V=1 m/s、沉深h=-2.5 m 條件下，計算得到潛水器正向迎流時的阻力，結(jié)果顯示在表1中。該結(jié)果表明，盡管5個網(wǎng)格場景的密度級別不同，但所有網(wǎng)格的計算結(jié)果差異很小，最大值和最小值僅有2%的差異。因此，在以下計算中網(wǎng)格基本尺寸選擇0.5。

表1 不同網(wǎng)格模型下AUV入水瞬間垂向加速度Fig.1 Vertical acceleration of the AUV at the moment of entering the water under different mesh models

3 計算結(jié)果及分析

3.1 計算工況

本文計算了載人潛水器在不同浪向角、不同進(jìn)流速度、不同沉深以及波浪參數(shù)下的受力，參考大洋35航次遭遇海況，設(shè)定本文所用工況，具體工況見表2。其中，α是浪向角；V是進(jìn)流速度，方向與波浪方向相同；h是沉深，即潛水器中軸線距水平面的距離，正值代表高于水面，負(fù)值表示在水面之下；H是波高；λ是波長。

表2 計算工況Tab.2 Calculation conditions

3.2 計算結(jié)果

因損傷發(fā)生在穩(wěn)定翼附近，由于篇幅限制，本文重點研究穩(wěn)定翼受到的關(guān)于中軸線（平行于潛水器艇長方向）的扭矩。圖4 為各種工況下翼片的編號，圖中箭頭代表來流方向，其中0°為首部迎向來流方向，180°為尾部迎向來流方向。圖5為工況A 在潛水器前10 m 處實際監(jiān)測的波高圖，其余工況監(jiān)測的圖形與此圖相似，僅是波高或波長存在不同之處，故不再列出。圖6～10 分別為工況A-E 的計算結(jié)果。

圖4 各工況下翼片編號Fig.4 Number of fins under each working condition

圖5 波浪條件下潛水器前波高歷時圖Fig.5 Submarine front wave height diachronic map under wave condition

從圖6中可知，穩(wěn)定翼各翼片在α=135°情況下受到力矩（絕對值，下同）最大，45°次之，0°最小。α=135°時由平行中體過渡至尾部的部件（也就是安裝穩(wěn)定翼的部件）與來流攻角最大，導(dǎo)致α=135°時穩(wěn)定翼所受力矩最大。在各個翼片中，2 號翼片受力最大，最大值約240 kN·m，3 號翼片最小；也就是迎流面水下的翼片受力最大，背流面水下的翼片受力最小，這是因為受艇體阻擋，3號翼片處水流較為平緩。峰值點出現(xiàn)在約3/4 周期處，監(jiān)測波高位于潛水器前方10 m（λ/4）處，故此時潛水器正處于波峰處，此時受力最大。

圖6 工況A下各翼片受力情況Fig.6 Force of each wing under Condition A

圖7 為不同速度下2 號翼片受力情況。因2 號翼片受力最大，故僅列出2 號翼片受力情況作為參考。圖中可以看出，隨著來流速度的增大，2 號翼片最大受力隨之增大，但最小值點相差不是特別大，該情況與2號翼片在此時（處于波谷時刻）部分露出水面有關(guān)。這種現(xiàn)象會導(dǎo)致潛水器各翼片隨著流速的增大受力急劇變化，對其耐疲勞性能帶來一定的挑戰(zhàn)。

圖7 工況B下2號翼片受力情況Fig.7 Force of Wing 2 under Condition B

圖8 為不同深度下各翼片的最大受力（5 個周期下極大值的平均值）情況。2 號和3 號（下部）翼片隨深度的增大受力先平穩(wěn)后變小；1號和4號（上部）隨深度的增大受力變大，但水深超過2.5 m 時受力變小。下部翼片在0.4～1.5 m 區(qū)間內(nèi)變化較小，原因是此時處于波浪影響較小范圍內(nèi)，最大值變化不明顯，水深超過1.5 m后離開波浪影響范圍，此時受波浪影響較小故受力變小。同理，上部翼片會經(jīng)歷受力先變大后減小的過程。

圖8 工況C下各翼片受力情況Fig.8 Force of each wing under Condition C

圖9 和圖10 分別為不同波高和不同波長下2 號翼片受力情況。從圖中可以看出，隨著波高的增大，翼片受力最大值開始急劇增大，但波高增長超過4.5 m時（對應(yīng)海況4級），翼片受力變化不明顯；而波長的變化對穩(wěn)定翼的影響很小，僅存在波峰出現(xiàn)在不同時刻的現(xiàn)象，這是因為計算時潛水器距速度入口的距離是一樣的，而波長的不同導(dǎo)致潛水器遭遇波浪的時刻不一樣，故其峰值出現(xiàn)的時刻存在微小差別。所以在一定范圍內(nèi)波高是影響潛水器受力大小的關(guān)鍵因素，而波長對潛水器水動力性能影響較小。

圖9 工況D下2號翼片受力情況Fig.9 Force of Wing 2 under Condition D

圖10 工況E下2號翼片受力情況Fig.10 Force of Wing 2 under Condition E

由上述計算可知，穩(wěn)定翼翼片最大可受到240 kN·m的力矩，這個力矩必定要傳遞到尾部的浮力材料上。尾部浮力材料的形狀如圖11所示，其中2號穩(wěn)定翼翼片是安裝在該浮力材料上的，理論上來講浮力材料與框架接觸的兩側(cè)應(yīng)是完全接觸的，但由于模型加工和近年來應(yīng)用過程導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)框架變形，實際上接觸的部分可能僅僅只有A 區(qū)域，這部分面積大概有0.06 m2，距軸線約為0.2 m，也就是說此部分產(chǎn)生的壓強(qiáng)約為20 MPa，而浮力材料的剪切強(qiáng)度為14 MPa，已經(jīng)超過了剪切強(qiáng)度。雖然本文計算模型是固模，實際受力要比計算值要小，但需要注意的是此接觸面積為估算，實際接觸面積可能更小，并且這個力矩是反復(fù)迅速變化的，對于浮力材料的疲勞強(qiáng)度是一個極大的挑戰(zhàn)，所以在A 區(qū)域和框架接觸的部分極有可能產(chǎn)生破壞，這就是B和C區(qū)域發(fā)生破壞的原因。

圖11 載人潛水器浮力材料Fig.11 Buoyancy materials for manned submersibles

4 結(jié) 論

通過上述研究，本文得到如下結(jié)論：

（1）載人潛水器在海面上受到的波浪載荷是導(dǎo)致浮力材料（結(jié)構(gòu)系統(tǒng)）損傷的原因之一。在載人潛水器設(shè)計階段，應(yīng)考慮其在應(yīng)用海域海況條件下關(guān)鍵部件的受力情況；

（2）載人潛水器穩(wěn)定翼翼片在進(jìn)流攻角為135°時受力最大，0°時最小；并且隨著潛深的增大，上部翼片受力增大，但隨著水深的增加，各翼片受波浪的影響越來越小；故在潛水器運行過程中應(yīng)盡量減少其在海面的漂浮時間，在海面漂浮時應(yīng)使?jié)撍魍颊龑Σɡ藖砹鞣较颉?/p>

（3）在一定范圍內(nèi)，翼片受力大小與波長關(guān)系不明顯，但隨著波高的增大而增大，當(dāng)波高增大到一定程度時，翼片受力變化不明顯。故潛水器應(yīng)避免在4級及以上海況下作業(yè)。

（4）浮力材料在安裝時應(yīng)注意盡可能地使其與結(jié)構(gòu)框架接觸，必要時可加裝襯板或墊板以增加接觸面積。

（5）本文計算模型是固定模型，結(jié)果和真值有一定差異，下一步研究中可采用自由模型，為載人潛水器其他系統(tǒng)設(shè)計如結(jié)構(gòu)系統(tǒng)強(qiáng)度校核提供數(shù)據(jù)參考。