波浪擾動對水下航行體垂直出水運動影響研究

李智生，閻肖鵬，李 釗

(1.中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023；2.火箭軍駐石家莊地區軍事代表室，河北 石家莊 050002)

波浪擾動對水下航行體垂直出水運動影響研究

李智生1，閻肖鵬1，李 釗2

(1.中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023；2.火箭軍駐石家莊地區軍事代表室，河北 石家莊 050002)

針對波浪擾動條件下水下垂直發射航行體出水姿態參數確定問題，建立了基于沿軸向切片方法的航行體在波浪擾動下的受力模型，結合航行體水中運動數學模型，采用計算航行體每一切片橫截面受到波浪的慣性力、力矩方法，仿真分析了波浪對航行體出水姿態參數的影響。仿真結果表明，浪級越高，對航行體出水姿態角的擾動越強烈。浪向角為90°時，對航行體運動參數影響最大。

水下航行體；軸向切片方法；浪級和浪向； 出水姿態參數

0 引言

水下航行體在近水面航行時，其運動不可避免地受到波浪的影響，從而使航行體的彈道出水參數發生改變，導致其俯仰角、偏航角的改變，影響航行體飛行姿態，甚至破壞殼體結構，使發射失敗。因此，研究水下航行體出水過程中波浪力對其力學參數、運動參數的影響就變得尤為重要[1-2]。

文獻[3-5] 采用數值模擬方法，研究了5級海情條件下，水下航行體模型水下垂直發射時二階Stokes波對其流場、力學特性等的影響。文獻[6-7] 基于Flunet軟件，首先通過入射邊界造波法對不同等級、不同類型的波浪進行數值模擬，在此基礎上研究了波浪對航行體出水過程的影響。文獻[8-9]基于波浪流動數學模型和造波方法的數值波浪水槽，采用CFD方法，對多海況等級、多波浪相位下航行體出水過程進行模擬。目前國內外的研究主要通過計算流體力學方法獲得航行體出水過程的壓力場分布[10]，進而得到波浪對水下航行體運動的影響，該方法計算周期較長、過程復雜。

本文建立了基于沿軸向切片方法的航行體在波浪擾動下的受力模型，結合航行體水中運動數學模型，采用計算航行體每一切片橫截面受到波浪的慣性力、力矩方法，仿真分析了波浪對航行體出水姿態參數的影響。

1 水下航行體運動方程組

在xy平面內研究航行體在水中的運動，建立體軸坐標系x0y0z0，其原點在運動體的重心，y0軸與運動體的縱軸重合，在該坐標系內建立的描述水下航行體運動數學模型為：

(1)

式中,A為浮力；G為重力；Jz0為航行體繞z0軸的慣性矩；M為航行體的質量；MTz0為發動機推力產生的力矩；MAz0為浮力產生的力矩；MBz0為航行體的俯仰力矩；Mgz0為水對航行體的慣性作用力矩；Pg為水對航行體的慣性作用力；T為發動機推力；v為航行體的線速度；y0為航行體縱軸；x0為航行體的法向軸；α為攻角；?為彈道傾角；θ為俯仰角；ω為運動體角速度。

2 波浪擾動模型

波浪場可以分成壓力場和速度場，因此，波浪對航行體的作用力可分為由波浪壓力場引起的作用力和由波浪質點的軌跡速度引起的作用力。整個航行體上所受的波浪力采用切片方法進行計算。

2.1 不規則波浪模型

描述海洋實際不規則波浪的方法是利用不同初始相位的規則余弦波進行疊加。假定波系中每個波浪的初始相位以相同的概率在0～2π之間隨機散布，而且不同頻域規則波的初始相位之間是互不相關的。于是，不規則波浪可用下式描述：

而規則波的波幅dA(ω)為:

(2)

式中，Sx(ω)為隨機波浪的頻譜。

航行體的動力學方程是在體坐標系中建立的，波浪復勢也應轉換到體坐標系中。將波浪復勢進行轉換可得：

Φ′=∫dA(ω)eBφ0。

(3)

式中，

B=kyOB+i(ωt+ε-kxOBcosγ-kzOBsinγ)；

(4)

ikcosγ[xcosθcosψ+y(sinψsinφ-sinθcosψcosφ)+

z(sinψcosφ+sinθcosψsinφ)]-

iksinγ[-xcosθsinψ+y(cosψsinφ-sinθsinψcosφ)+

(5)

xOB，yOB，zOB為航行體體坐標系原點在地面坐標系中的坐標，在航行體的動力學方程中為x0,y0,z0，這里加下標B是為了進行區分。

2.2 波浪擾動力數學模型

根據切片理論，航行體沿軸線上各切片所受的波浪力可由波浪復勢求得。

由式(5)，波浪在水下產生的附加壓力場為：

(6)

式中，v為航行體的速度。

該壓力場對單位長度的切片產生的在航行體體坐標系y、z方向的力為：

(7)

(8)

式中，S(x)為航行體某切片的橫截面積。

波浪運動中，水下的流體質點做非定常運動，這將對航行體產生附加慣性力。航行體單位長度切片在體坐標系y、z方向的附加慣性力為：

(9)

(10)

以上得到了航行體各切片在波浪作用下的壓力場力和附加質量力。由式(7)、式(8)、式(9)和式(10)，則在航行體體坐標系中總的力和力矩為：

(11)

(12)

(13)

(14)

取Y、Z、My和Mz的實部即為波浪運動作用在航行體體坐標系下的力和力矩。

將式(11)、式(12)、式(13)和式(14)離散化后，即可采用切片法求解。本文中將航行體沿軸向切分，在頭部、尾部形狀變化較大處切分較細，在中部分切分較粗。一般說來，切片總數增加可以提高計算精度，實際計算表明，切片總數達到90左右，切片個數對波浪力計算精度的影響可忽略不計。本文將航行體沿軸向共切分90段，其中頭部30段、中部25段、尾部45段。每一切片橫截面的擾流可局部地看作二元流動，切片的附加質量與幾何形狀有關，簡單的二元附加質量系數可根據無限長圓柱附加質量系數用保角變換求出。

3 波浪對航行體垂直出水發射影響分析

仿真計算航行體完全出筒瞬間到頭部到達水面過程在不同海浪浪級和浪向角條件下出水姿態角的變化規律。計算工況如表1所示。

表1 計算工況

3.1 不同浪級條件下航行體姿態角響應分析

設置2/4/5級3種不同浪級，相同浪向角90°，相同發射深度H=30 m，相同出筒速度15 m/s，相同艇速2 kn，進行仿真計算和分析，計算結果如圖1所示。

圖1 不同浪級條件下航行體出水姿態角參數

計算結果表明：浪級越高，對航行體出水姿態角的擾動越強烈，側向偏距也越大；這是由于海情等級的提升增加了流體質點的運動速度，顯著提升了航行體所受的波浪力和波浪力矩，從而使波浪對航行體的擾動作用更強。

由于波浪的隨機性，同一入射角條件下的波浪擾動力出現了不同的方向，而擾動力幅值隨浪級的變高而變大，且同一海況下近水面處的幅值最大。

波浪對航行體出水過程的影響隨航行體出水時間的增加而增加。因此，增加航行體出水速度、縮短航行體出水時間可以降低波浪對航行體出水運動的干擾。

3.2 不同浪向角條件下航行體姿態角響應分析

設定航行體在離管速度15 m/s，艇速2 kn，發射深度為30 m，海浪為3級，仿真計算浪向角分別為0°、45°、90°、135°以及無海浪條件下航行體出水姿態角參數，結果如圖2所示。

圖2 不同浪向條件下航行體出水姿態角參數

分析以上計算結果可知，相同浪級不同浪向角條件下航行體在水中運動的時間基本上是相同的。當浪向角為90°時，也就是當海浪傳播方向與潛艇運動方向平行時，對航行體運動參數影響最大，航行體所承受的波浪力也越大，越靠近海面受海浪影響越大。

4 結束語

針對波浪擾動條件下水下垂直發射航行體出水姿態參數確定問題，建立了基于沿軸向切片方法的航行體在波浪擾動下的受力模型，結合航行體水中運動數學模型，采用計算航行體每一切片橫截面受到波浪的慣性力、力矩方法，仿真分析了波浪對航行體出水姿態參數的影響。仿真結果表明，浪級越高，對航行體出水姿態角的擾動越強烈，側向偏距越大。浪向角為90°時，對航行體運動參數影響最大，航行體所承受的波浪力也越大，越靠近海面受海浪影響越大。

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李智生 男，(1975—),博士，高級工程師。主要研究方向：水下測量。

閻肖鵬 男，(1973—),高級工程師。主要研究方向：水下測量。

Research on Ocean Wave’s Impact on Vertical Motion of Underwater-launched Vehicle

LI Zhi-sheng1,YAN Xiao-peng1,LI Zhao2

(1.Unit91550,PLA,DalianLiaoning116023,China; 2.TheRocketForceMilitaryRepresentativeOfficeinShijiazhuang,ShijiazhuangHebei050002,China)

To determine the water-exiting attitude parameters of underwater-launched vehicle under wave disturbance,the vehicle body force model is established under wave disturbance based on the axial layered slicing method.Combining with the mathematical model of the underwater vehicle,the impact of ocean wave on vehicle attitude parameters is simulated by calculating the inertial force and torque on the vehicle.It’s shown that the higher the wave scale is,the stronger the disturbance on vehicle attitude angle will be.When the wave direction angle is 90°,the vehicle motion parameters are most seriously affected.

underwater vehicle；axial layered slicing method；wave scale and direction；water-exiting attitude parameters

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.04.15

李智生，閻肖鵬，李 釗.波浪擾動對水下航行體垂直出水運動影響研究[J].無線電工程,2017,47(4):65-68.

2017-01-09

U661.1

A

1003-3106(2017)04-0065-04