深海應急救生艙波浪中的運動響應數值分析

(中國船舶科學研究中心 a.深海載人裝備國家重點實驗室；b.軟件工程技術中心，江蘇 無錫 214082)

深海載人潛航器在水下作業，可能遭遇到暗流、碰撞、掉深，以及誤操作等風險。雖然常規脫險救生方法[1]有很多，如快速漂浮自救脫險、減壓自救脫險、救生鐘/艇援救脫險，但對于大潛深的載人潛航器而言，深海應急救生艙幾乎是解決水下全體乘員安全保障問題唯一有效的救生手段。深海應急救生艙在國外的作戰潛艇上應用較多。蘇聯705型潛艇上首次裝備了應急救生艙，該救生艙的救生深度可達到1 500 m。國內以往針對深海應急救生艙的研究都集中在深海應急救生艙的材料特性[2]、結構安全[3]以及上浮過程安全穩定[4]等方面，對于深海應急救生艙上浮出水后，在水面風浪中的搖蕩運動特性研究未見報道。由于深海應急救生艙在水面等待救援的時間具有不確定性，過度的搖蕩運動會威脅艙內乘員的生命安全，因此在深海應急救生艙設計過程中，應充分關注其在水面風浪中的搖蕩運動特性。為此，運用粘性CFD軟件計算3種不同浮力材料體積配置的深海應急救生艙在水面規則波中橫搖和垂蕩運動頻響曲線，然后通過統計分析方法對比分析3種計算模型在三級、四級和五級海況下搖蕩運動結果，揭示浮力材料的體積配置對深海應急救生艙水面耐波性能的影響規律。

1 數值模擬

1.1 計算模型

深海應急救生艙的浮力材料體積配置主要考慮總體平衡、上浮過程安全穩定等因素，但也應兼顧水面耐波性能。設定3種計算模型，分別是配置3種浮力材料的深海應急救生艙，救生艙載人艙主體質量3.712 t，排水體積3.458 m3。浮力材料密度480 kg/m3，海水密度1 025 kg/m3。浮力材料最小體積選取約0.5 m3，是考慮了深海應急救生艙在靜水面的干舷，其上浮至水面后，需要起吊出水，因此起吊點要突出水面；而浮力材料最大體積約2.0 m3選取是考慮了包覆深海應急救生艙的圍殼尺寸。

深海應急救生艙的坐標系原點固定在載人艙球殼球心處，浮力材料外形是側面為等腰梯形的直四棱柱，不同體積浮力材料側面形狀相同，但側棱長度不同。定義沿側棱長度方向為X軸，沿等腰梯形的高度方向為Z軸，由右手定則確定Y軸。定義深海應急救生艙繞X軸轉動為橫搖，繞Y軸轉動為縱搖，沿Z軸運動為垂蕩。鑒于載人艙主體為回轉體，而浮力材料沿X軸方向的長度大于沿Y軸方向的長度，深海應急救生艙在水面的橫搖運動比縱搖運動更加劇烈，因此主要關注深海應急救生艙的橫搖和垂蕩運動。配置1.0 m3浮力材料的深海應急救生艙二維投影圖及三維模型見圖1。

圖1 配置約1.0 m3浮力材料的深海應急救生艙的二維投影及三維模型

3種深海應急救生艙模型主要參數見表1，吃水情況見圖2。

表1 3種深海應急救生艙模型主要參數

圖2 3種不同體積浮力材料的深海應急救生艙吃水情況

1.2 CFD計算原理

采用CFD軟件以雷諾時均N-S方程為基本方程，時均連續性方程具體形式為

(1)

動量方程具體形式為

(2)

式中：ρ為流體密度；μ為流體粘度；p為靜水壓力；Si為質量力；ui、uj為速度分量。

湍流模型選擇SSTk-ω模型，船體運動使用重疊網格技術，自由液面使用VOF法捕捉。

1.3 計算域設置及網格劃分

模型關于XZ平面對稱，為減小計算量，取半模進行計算，計算域大小設置如下：①入口距離模型4倍船長，邊界條件為速度入口；②出口距離模型2倍波長，邊界條件為壓力出口；③上、下邊界均為對稱面；④左邊界距離模型3倍船長，左、右邊界均為對稱面；⑤船體表面設置成無滑移、不可穿透壁面。

規則波選擇斯托克斯一階波，波高使用30個網格捕捉，波長使用180個網格捕捉，計算迭代次數10次，同時局部細化船模貼壁網格，保證壁面y+值在30～300之間，半模網格數最大為350萬左右。

1.4 數值方法可靠性分析

選取對數值計算結果影響較大的網格劃分進行分析。

以約1.0 m3浮力材料體積配置的深海應急救生艙在波幅0.032 m，波浪周期3.55 s的水面規則波上的運動為例，分析網格對深海應急救生艙計算結果的影響。通過改變背景網格尺寸，對比網格數為218萬、280萬和420萬的算例計算的運動幅值，結果見表2。

表2 不同網格數算例運動幅值對比

可以看出，隨著網格數的增加，深海應急救生艙的橫搖和垂蕩幅值并沒有出現較大的變化，說明網格對計算結果的影響很小，考慮到計算機計算能力，選用280萬網格算例的網格尺寸作為后續計算的基礎網格尺寸。

2 結果及分析

2.1 規則波中線性頻響計算

分別計算約0.5、1.0和2.0 m3浮力材料體積配置的深海應急救生艙在水面規則波中橫搖和垂蕩運動的線性頻響函數曲線，結果見圖3。

圖3 3種浮力材料體積配置深海應急救生艙橫搖和垂蕩運動頻響函數對比

由圖3a)可知，隨著深海應急救生艙配置的浮力材料體積增加，其橫搖運動越來越劇烈，共振頻率也逐漸增大。從圖3a)中可以看出浮力材料體積配置在0.5～2.0 m3之間，深海應急救生艙的橫搖頻響函數峰值變化非常迅速，說明深海應急救生艙浮力材料配置體積對深海應急救生艙水面耐波性能有較大的影響。

對比圖3b)中浮力材料體積配置約0.5 m3和1.0 m3的深海應急救生艙，垂蕩頻響峰值沒有太大變化，但各頻率下的垂蕩頻響值都有所增加，垂蕩運動劇烈程度增長較緩和；對比浮力材料體積配置約為1.0 m3和2.0 m3的深海應急救生艙，垂蕩頻響峰值增長較快，深海應急救生艙的垂蕩運動迅速加劇。

2.2 不規則波中橫搖和垂蕩的統計特性預報

基于所得深海應急救生艙在規則波中橫搖和垂蕩頻響函數，根據統計分析原理，按照《船舶原理(下)》中船舶搖蕩預報的一般程序對深海應急救生艙在不規則波中橫搖和垂蕩的統計特性進行預報。

選用ITTC雙參數譜，以北半球海浪年平均資料[5]為輸入，選取計算海況為三級、四級和五級海況。其中，三級海況的三一平均波高為1.25 m，波浪平均周期為4～9 s，最可能周期為5.79 s；四級海況的三一平均波高為2.5 m，波浪平均周期5～9 s，最可能周期為6.79 s；五級海況的三一平均波高為4 m，波浪平均周期6～9 s，最可能周期為7.48 s。

不同海況下3種深海應急救生艙在不同波譜平均周期下的橫搖三一平均幅值曲線見圖4。

圖4 不同海況下3種深海應急救生艙在不同波譜平均周期下的橫搖三一平均幅值

由圖4可以看出，三級、四級和五級海況下，波浪譜平均周期一定時，深海應急救生艙的浮力材料配置體積越大，則橫搖三一平均幅值越大，水面耐波性能越差。因此要想獲得良好的耐波性能，深海應急救生艙浮力材料配置體積應該越小越好。

同時適航性衡準要求[6]規定，在研制總要求無特殊規定時，艦船的最大橫搖角應小于45°，由圖4可知，四級和五級海況下，浮力材料體積配置約1.0 m3和2.0 m3的深海應急救生艙在一定范圍的波譜平均周期下，橫搖三一平均幅值接近或超過了45°，而浮力材料體積配置0.5 m3的深海應急救生艙的橫搖三一平均幅值符合規范要求，說明浮力材料體積配置越小，深海應急救生艙可安全作業的海況等級就越高。除此之外，深海應急救生艙的浮力材料配置體積在0.5～1.0 m3之間的橫搖三一平均幅值的變化速度遠大于體積在1.0～2.0 m3之間的橫搖三一平均幅值的變化速度，這對深海應急救生艙浮力材料的體積配置選擇有重要的工程指導意義，可以更加靈活的配置浮力材料體積。

不同海況下3種深海應急救生艙在不同波譜平均周期的垂蕩三一平均幅值曲線見圖5。

圖5 不同海況下3種深海應急救生艙在不同波譜平均周期的垂蕩三一平均幅值

由圖5可以看出，三級、四級和五級海況下，最可能的波譜平均周期附近的三種浮力材料體積配置深海應急救生艙的垂蕩三一幅值相差不大，且浮力材料配置體積約0.5 m3的深海應急救生艙的垂蕩三一幅值還略大于其他兩種模型。這和三種模型的垂蕩頻響曲線規律不同，這是因為浮力材料配置體積約1.0 m3和2.0 m3的深海應急救生艙的頻響共振周期均嚴重偏離了波譜的譜峰周期，因此其垂蕩三一幅值反而較小。

3 結論

1)浮力材料的體積配置對深海應急救生艙水面耐波性能影響極大，在滿足總體要求和上浮過程安全穩定的基礎上，深海應急救生艙的浮力材料配置體積越小，其耐波性能越好，因此浮力材料配置體積約0.5 m3的深海應急救生艙水面耐波性能最佳。

2)為了能讓深海應急救生艙能在更高等級的海況下安全工作，充分發揮其實用價值，深海應急救生艙的浮力材料配置體積也應盡可能小。

今后應進一步探究不同浮力材料形狀對深海應急救生艙上浮過程的水動力性能及水面耐波性能的影響。