變結構滑行艇斜浪航行耐波性數值分析

畢效笙，馬瀟健，王大鵬，徐志程，趙 靜

（中國運載火箭技術研究院 研究發展中心，北京 100076）

0 引言

水面無人艇是無人武器裝備體系中的重要組成部分，在未來水面無人作戰領域高技術條件下的海戰中有著廣泛的用途，已經成為武器裝備的發展趨勢之一。由于水面無人艇搭載的各種靈敏傳感器等裝備需要一個較為穩定的平臺才能完全發揮出其最佳性能，而中遠海海域的水面環境與沿海遮蔽海域相比，有著更復雜的風、浪等惡劣的航行環境，水面無人艇急需一種能在惡劣海況下伴隨大型水面艦艇航行的新船型。

滑行艇在波浪激勵作用下除正常的垂蕩、縱搖與橫搖運動外，還可能發生非線性特征較強的砰擊、上浪以及噴濺現象，這種程度劇烈、非線性特征明顯的運動，為耐波性的數值模擬與分析造成了很大的難度。IKEDA 等人[1]用綜合了試驗方法與數值的方法，針對棱柱形滑行艇在規則與非規則波浪下的耐波性能進行了預報，并分析了附加質量和阻尼系數對運動幅值的非線性影響，將耐波性試驗中測得的水動力系數與非線性效應數值預報方法的結果進行了比較，兩者吻合較好。這表明可以對船舶的非線性運動的數值模擬具備較高的精度。在滑行艇的非線性特征面，AZCUET 等人[2]基于自由面RANS 方程對滑行艇的阻力性能進行了數值預報，他們的結果表明針對船舶在波浪條件下的非線性運動的數值預報具備了較高的精度，證明該方法適用于預報滑行艇在波浪中的劇烈響應。

2014年，BEGOVIC 等人[3–5]對波浪中滑行艇的運動響應進行了研究，得到了滑行艇在規則波和不規則波中運動響應的幅值，并與相應的試驗數據進行了對比。采用威布爾分布分析模型在不規則波下的運動響應，特別是與重心加速度的關系。由于針對不規則波中航行更接近實際海況中的航行狀態，其研究更能反映實際的航行情況。

除滑行艇在航行中的快速性與耐波性等水動力性能的預報以外，滑行艇在航行中可能出現的不穩定運動也是近年來研究的重點與難點之一。朱鑫、段文洋等人[6–8]針對滑行艇在規則波浪中的運動響應進行了時域與頻域方面的分析，以及在迎浪運動中可能出現的砰擊現象線性進行了研究。李亞軍[9]于2012年應用2D+T 法針對滑行艇縱向不穩定運動進行了分析。數值預報了滑行艇發生海豚運動，伴隨強迫振蕩時的阻尼系數與附加質量，且與相應的試驗數據進行對比，精度較高，具備足夠的可靠性。

對此，本文提出了一種變結構滑行艇新船型，變結構滑行艇在常規單體滑行艇基礎上，增加可自由收放的片體，通過改變兩側片體與中心體之間的間距來兼顧快速性和耐波性，為分析變結構滑行艇設計對艇體橫向穩定性的優化效果，數值模擬滑行艇約束橫傾航行與斜浪航行，預報片體在約束橫傾中所提供的橫向力矩。分析了片體對滑行艇固有橫搖周期的影響，數值預報片體在斜浪航行中減橫搖效果。

1 變結構滑行艇艇型設計

1.1 變結構滑行艇單體形態設計

綜合分析單體滑行艇、高速多體船等艇型的特點，得到變結構滑行艇初步艇型設計方案，使其能夠通過自主收放兩側片體實現變形，得到高速低阻的單體形態和高耐波的三體形態，可根據海況在單體與三體形態之間自由轉換。

圖1 主艇體三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the main hull

滑行艇主艇體主尺度和如表1所示。

表1 滑行艇主尺度數據Table 1 Principal dimensions of planing craft

1.2 變結構滑行艇三體形態設計

為實現滑行艇單體與三體形態轉換，在主艇體兩側增設可以收放的片體。片體與滑行艇主艇體剛性固定，在釋放到極限位置后片體參與排水，片體設計為長寬比較大的類船型。片體設計如圖2所示，片體尺度如表2所示。

表2 片體主尺度數據Table 2 Principal dimensions of demihull

圖2 片體三維模型Fig.2 Three-dimensional model of demihull

變結構滑行艇兩側片體釋放后轉化為三體形態，三體形態下片體的布局參考了盧曉平等[10–12]針對高速三體船片體布局優化的研究結果，并綜合考慮片體收放裝置強度以及重心設計等因素。片體布局以及其相對主艇體3 個方向的偏移如圖3與表3所示。

表3 片體位置的偏移Table 3 Offset of demihull position

圖3 三體形態布置Fig.3 Arrangement of trimaran

2 變結構滑行艇橫向穩定性的數值分析

變結構滑行艇正常航行過程中，不可避免地遭遇斜浪。滑行艇由于自身耐波性較差，在斜浪航行中需要保持較低的航速與較小的浪向角以保證正常作業與航行安全。為分析片體在斜浪航行中對滑行艇橫搖運動的影響，對變結構滑行艇2 種形態在不同波長，波高以及浪向角中的斜浪航行進行數值模擬并分析其運動響應與片體的減搖效果。

本章采用商用CFD 軟件STAR-CCM，基于RANSE 方法，SSTk–ω湍流方程計算艇體周圍流場，采用Volume of Fluid method（VOF）方法模塊以實現對自由液面的捕捉，使用6–DOF 求解器以及重疊網格方法對滑行艇的姿態進行模擬與求解。

2.1 網格無關性分析

為驗證網格尺寸對數值結果精度與收斂性的影響，本節所采用的試驗模型及試驗數據來自于沈海龍等人[13]于2011年進行USV01 滑行艇模型的水動力試驗。

本節選擇了3 種網格參數進行對比分析，針對不同的網格加密方式進行修改，對網格的尺寸依照船長進行了無因次化處理，以使結果更具有普遍性。3 種網格參數的設置如表4所示。

表4 3 種網格的參數設置Table 4 Parameter setting of the 3 grids

采用這3 種網格對USV01 以8 m/s 航速靜水直航進行模擬，預報USV01 的阻力、縱傾與升沉，以進行網格無關性分析。

網格1–3 對船體附近區域與自由液面附近2 個加密區域均進行加密，且網格尺寸減小，本節中的CFD 檢驗基于ITTC 的推薦流程，模擬中針對滑行艇的艇體表面與加密區域內采用切割體網格進行加密。生成網格后，艇體周圍與自由液面的網格如圖4所示。3 種網格針對阻力、縱傾與升沉的數值結果與試驗結果的對比如表5所示。

表5 3 種網格的數值結果Table 5 Numerical results of the 3 grids

圖4 自由液面的網格Fig.4 Grids of the free surface

在網格1–3 中，由于對必要加密區域進行了網格加密，3 種網格加密的方案均能保證數值結果的正常收斂，但數值結果的精度存在差異。其中網格加密最精細的網格1 方案對應的阻力的數值結果與試驗結果對比的誤差為2.71%，按照ITTC 會議規定，包括滑行艇在內的高性能船舶的數值預報誤差應控制在10%以內，所以網格1 的加密方案能夠保證數值模擬的精度。后續數值預報中網格的加密方案均基于網格1。

2.2 變結構滑行艇斜浪航行的數值模擬

在斜浪航行的數值模擬中，數值水池計算域的邊界條件與消波區域與迎浪航行數值模擬的設置存在一定差異。由于規則波浪從滑行艇正前方與右側的邊界不斷流入，并從正后方與左側的邊界不斷流出，所以邊界條件的定義發生了一定變化，計算域大小與邊界條件的定義如圖5與表6所示。

表6 斜浪航行數值模擬中計算域的邊界條件Table 6 Boundary conditions of computational domain in numerical simulation of oblique wave sailing

圖5 斜浪航行數值模擬中的計算域與網格Fig.5 Calculation domain and grid in numerical simulation of oblique wave sailing

浪向角βw為60°，U=2 m/s，H=50 mm，λ/L=2的規則波浪，其自由液面的數值模擬示意圖如圖6所示。

圖6 斜浪航行中自由液面的數值模擬Fig.6 Numerical simulation of free surface in oblique wave sailing

為分析單體與三體滑行在不同波長不同浪向角下的橫向穩定性選取了U=2 m/s，H=50 mm，波長為1.5～4L的規則波進行數值模擬，選擇了3 種浪向角（βw）分別為30°，45°以及60°，滑行艇模型參考真實的斜浪航行，開放垂蕩，縱搖與橫搖3個自由度，并對滑行艇3 個自由度上運動響應的時歷曲線與幅值進行數值預報，規則波浪參數如表7所示。

表7 規則斜浪航行數值模擬的波浪工況表Table 7 Regular wave matrix in numerical simulation of oblique wave sailing

2.3 片體對滑行艇橫向穩定性的數值分析

滑行艇的三體形態的橫搖周期明顯小于滑行艇單體形態，這表明隨著滑行艇形態的改變，變結構滑行艇2 種形態在不同波浪中的運動響應變化趨勢與共振區域也隨之改變，本節應用數值方法分析片體對滑行艇斜浪航行中運動響應的影響。3 種不同浪向角下兩種滑行艇的運動響應幅值對比如表8，圖7–9 所示。

表8 斜浪航行中滑行艇單體與三體形態運動響應幅值的數值預報結果Table 8 RAOs of monohull and trimaran in oblique wave sailing

圖7 滑行艇的單體與三體形態在βw=30°時不同波長下的運動響應幅值Fig.7 RAOs of monohull and trimaran in different wavelengths when βw=30°

片體在滑行艇發生橫傾時能夠提供大量的橫向力矩作為橫搖阻尼，在斜浪航行，片體對滑行艇橫搖產生的影響非常明顯。首先是橫搖運動共振區域的不同，由于滑行艇的三體形態的固有橫搖周期小于單體形態，滑行艇在橫搖運動中發生共振現象的必要條件是遭遇頻率與滑行艇固有橫搖頻率與遭遇頻率相近，滑行艇的三體形態橫向阻尼大幅增加，固有頻率的增加必然導致橫搖運動共振區域向短波長的方向移動。滑行艇單體形態共振區域對應的波長為3L，轉換為三體形態時共振區域對應的波長移動至小于1.5L處。

如圖8–10 所示，片體對滑行艇橫搖的幅值影響隨波長變化存在一定差異，在到達滑行艇單體形態共振區域之前的短波長波浪中（λ/L≤2），滑行艇橫向上的遭遇頻率大于單體形態固有橫搖頻率，共振現象沒有發生所以橫搖幅值減小。在相同的短波長波浪中，由于滑行艇的三體形態自身橫搖周期更小，所以在λ/L≤2 的波浪中，由于其更接近其共振區域，雖然與滑行艇單體形態遭遇的波浪激勵相同，但橫向的強激勵被激發，所以在短波長波浪中，滑行艇的三體形態的橫搖幅值略大于滑行艇單體形態。

圖9 滑行艇的單體與三體形態在βw=60°時不同波長下的運動響應幅值Fig.9 RAOs of monohull and trimaran in different wavelengths when βw=60°

當滑行艇遭遇波浪的波長為3L時，滑行艇的三體形態橫搖的幅值遠小于在相同波浪的滑行艇單體形態。由于滑行艇在斜浪中橫向的強激勵作用被激發，滑行艇發生大幅度橫搖運動。在激勵相同的情況下，片體所提供的橫向力矩作為橫搖阻尼，使強激勵難以改變滑行艇原有姿態，從而減小滑行艇三體形態橫搖的幅值，同時由于滑行艇三體形態固有橫搖周期的減小，使此時遭遇頻率小于固有橫搖頻率，共振現象的減弱進一步減小了橫搖運動的幅值，在二者聯合作用下片體能夠實現在斜浪航行中減少滑行艇橫搖的效果。在βw=60°，λ/L=3 時，片體最多能減少70.45%的橫搖幅值。隨著波長的繼續增加，滑行艇越過共振區域，橫搖峰值下降，但滑行艇的三體形態的橫搖幅值依舊小于單體形態，但減搖效果并沒有共振區域明顯。

3 結束語

本文主要內容為數值分析變結構滑行艇在波浪環境中的橫向穩定性。采用數值模擬方法，預報滑行艇單體與三體形態在約斜浪航行中的運動響應與，結果表明：滑行艇在斜浪運動中發生橫搖時，片體所提供的橫向力矩作為橫搖阻尼能夠大幅減少滑行艇的橫搖幅值，片體的減橫搖效果在單體形態的共振區域內最明顯，并且隨著浪向角的增加，片體的減搖效果會變得更加明顯，在βw=60°片體最多能減少70.45%的橫搖幅值。