潛浮式無(wú)人船多工況阻力試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

侯遠(yuǎn)杭，安廣碩，蘇琳芳，梁 霄，姜?jiǎng)俪?/p>

（1.大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院遼寧大連， 116026；2.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引 言

半潛式無(wú)人航行器是一種主船體在水下、只有小部分平臺(tái)結(jié)構(gòu)露出水面[1]、在自由液面下一定深度潛伏航行的新式航行器[2]。與普通的水面航行器相比，半潛式無(wú)人航行器的主船體能規(guī)避波浪的影響，大大減小船體的興波阻力[3]，避免了波浪對(duì)主船體砰擊造成的船體結(jié)構(gòu)損傷等問(wèn)題。

文獻(xiàn)[4]提出了一種主船體加翼型浮箱的半潛式無(wú)人航行器設(shè)計(jì)，并通過(guò)CFD 方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了船型優(yōu)化的問(wèn)題。該半潛式無(wú)人航行器翼型浮箱頂部露出水面，安裝通訊導(dǎo)航設(shè)備，并為船體提供儲(chǔ)備浮力和恢復(fù)力矩。

潛浮式無(wú)人船是基于半潛式無(wú)人航行器的原理開(kāi)發(fā)的一種高性能新概念船型，具有跨潛深航行的能力[5]。在水面低速航行時(shí)，能減少水下航行時(shí)大濕表面積引起的較大的摩擦阻力；當(dāng)海況惡劣時(shí)，其可以潛到一定的深度，避免受到海面洶涌海浪的影響[6]。完全浸沒(méi)潛深工況下該型船能避免船體在波浪上劇烈搖蕩引起的砰擊，降低船體結(jié)構(gòu)的偶然載荷[7]，也能避免因螺旋槳出水引起的飛車現(xiàn)象，能夠改善船舶的航行性能。并且由于具有良好的隱身性，潛浮式無(wú)人船在科學(xué)研究、商業(yè)活動(dòng)和國(guó)防等領(lǐng)域獲得了較高的關(guān)注[8]。

近年來(lái)北極航線成為國(guó)際航運(yùn)業(yè)的熱點(diǎn)，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，北冰洋的海冰平均厚度約為3 m，總體上10月份海冰重新結(jié)成，4月份開(kāi)始融化[9]；“東北航道”沿線水域夏季近岸側(cè)冰量較少，且硬度和厚度明顯降低，可以滿足通航要求，并且商業(yè)化航行的條件比較成熟。潛浮式運(yùn)輸船如果應(yīng)用于北極航線，在航行時(shí)遇到浮冰可以潛至浮冰以下航行，較普通船舶而言，受季節(jié)限制較小，無(wú)需破冰船輔助，也降低了航運(yùn)成本，具有很大的研究潛力。

文獻(xiàn)[10]提出了一種由主船體、一對(duì)主翼和一對(duì)水平尾翼組成的潛浮式無(wú)人船，如圖1 所示。并通過(guò)直線拖曳試驗(yàn)和圓周運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)分析了船模在各種垂直和橫向運(yùn)動(dòng)條件下的水動(dòng)力特性，驗(yàn)證了該船型配置的可行性，值得進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[11]中提到了一種已經(jīng)投入使用的潛浮式運(yùn)輸船，如圖2所示，該船在潛伏航行時(shí)幾乎無(wú)法被雷達(dá)、聲納等監(jiān)測(cè)到，并且建造成本比潛艇低，可以應(yīng)用于軍事行動(dòng)或執(zhí)行特種運(yùn)輸任務(wù)。

圖1 潛浮式無(wú)人船[10]Fig.1 Semi-submersible unmanned vehicle[10]

圖2 潛浮式運(yùn)輸船[11]Fig.2 Semi-submersible transport ship[11]

本文針對(duì)一種潛浮式無(wú)人船的多航行工況開(kāi)展阻力性能試驗(yàn)，并通過(guò)STAR-CCM+對(duì)船模的阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)各航行工況下不同航速試驗(yàn)與計(jì)算的阻力結(jié)果以及該船模的水動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 船模阻力試驗(yàn)

1.1 船模參數(shù)

本研究只考慮該型潛浮式無(wú)人船主船體的阻力，忽略附體對(duì)阻力的影響。試驗(yàn)船模的主尺度及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)船模參數(shù)Tab.1 Principal dimensions of the experimental ship model

本船模采用數(shù)控加工設(shè)備加工制作完成，船模加工精度符合ITTC 要求，模型加工完成后在平臺(tái)上勘劃水線.船體模型整體和局部外觀如圖3所示。

圖3 船體模型外觀Fig.3 Appearance of the ship model

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)測(cè)試不同潛深情況下的模型阻力，每種潛深情況下測(cè)試速度為0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.1 m/s、1.2 m/s、1.3 m/s、1.4 m/s、1.5 m/s、1.6 m/s 和1.7 m/s 的靜水阻力。對(duì)應(yīng)的Fr范圍是0.1010～0.4291，Re的范圍是0.5284×106到2.2459×106。工況0#到5#對(duì)應(yīng)的潛深分別為0 m、0.054 m、0.32 m、0.48 m、0.64 m 和0.96 m，如圖4所示。

圖4 各潛深工況示意Fig.4 Cases of each submergence depth

拖曳試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5 所示，可見(jiàn)0#與1#工況具有明顯的興波特征，且符合常規(guī)水面船舶興波幅度隨航速的變化特點(diǎn)，其他工況均為水下潛航，船體周圍流場(chǎng)變化無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有儀器與技術(shù)手段精確觀測(cè)，可根據(jù)阻力變化特點(diǎn)與后續(xù)數(shù)值計(jì)算予以分析。

圖5 拖曳試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片（工況0#～5#）Fig.5 Towing test site(Cases 0#-5#)

通過(guò)對(duì)船模進(jìn)行各潛深情況下不同速度的拖曳試驗(yàn)，得到了該潛浮式無(wú)人船模型的阻力試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 無(wú)人船阻力試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Unmanned ship resistance test results

2 計(jì)算模型的建立與設(shè)置

利用對(duì)稱性，只考慮半個(gè)船體的流場(chǎng)，可以節(jié)約資源提高計(jì)算效率。計(jì)算域范圍由船首向前延伸1 倍船長(zhǎng)，由船尾向后延伸2 倍船長(zhǎng)；由船體中縱剖面向左延伸2 倍船長(zhǎng)；垂直方向由水線面向上延伸1倍船長(zhǎng)，向下延伸2倍船長(zhǎng)。

網(wǎng)格分布應(yīng)該做到稀疏合理，既要保證計(jì)算結(jié)果的精度，又要提高計(jì)算的效率。流場(chǎng)邊緣受船體運(yùn)動(dòng)影響很小，網(wǎng)格稀疏。船體附近的參數(shù)變化很大，網(wǎng)格較密。對(duì)船體艏艉型線變化較大處的網(wǎng)格進(jìn)行加密。0#和1#工況下，為了捕捉自由液面處的興波，要對(duì)自由液面附近的網(wǎng)格加密，加密厚度隨速度升高而增大。0#網(wǎng)格數(shù)約為65 萬(wàn)～115 萬(wàn)；1#網(wǎng)格數(shù)約為75 萬(wàn)～170 萬(wàn)。完全浸沒(méi)潛深工況（2#～5#）不受興波阻力，無(wú)需對(duì)自由液面網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)約為35萬(wàn)。

圖6所示為0#、5#工況下航速為1.0 m/s時(shí)網(wǎng)格的對(duì)比圖，圖7為0#工況下艏艉網(wǎng)格加密圖。

圖7 0#工況下艏艉網(wǎng)格加密Fig.7 Mesh encryption of bow and stern at Condition 0#

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 阻力分析

通過(guò)在STAR-CCM+中對(duì)各個(gè)潛深情況下不同速度的阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了該型潛浮式無(wú)人船的阻力計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

表3 無(wú)人船阻力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Unmanned ship resistance calculation results

各工況下阻力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖8 所示。可以看出在STAR-CCM+中數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)值較為接近，趨勢(shì)一致；0#和1#下由于船體興波情況復(fù)雜且隨機(jī)性強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差較大；完全浸沒(méi)潛深工況（2#～5#）下采用更加細(xì)致的邊界層計(jì)算方法，阻力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，絕大部分偏差都能控制在10%以內(nèi)。總體來(lái)看，采用本方法進(jìn)行數(shù)值模擬具有可行性。

圖8 各工況下阻力試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of resistance between test and calculation results under various working conditions

將上述阻力計(jì)算結(jié)果與2.3節(jié)中阻力試驗(yàn)結(jié)果分別繪制成曲線，如圖9～10所示，對(duì)各個(gè)潛深工況不同速度下該型潛浮式無(wú)人船的阻力做出如下分析。

圖9 阻力計(jì)算結(jié)果Fig.9 Resistance calculation result

圖10 阻力試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Resistance test result

在同一潛深工況下，隨著航速的增大，船體表面切應(yīng)力增大，摩擦阻力增大。在完全浸沒(méi)潛深工況（2#～5#）下，浸沒(méi)的深度越小，船體表面與自由液面間的流體受擠壓程度越高，流速越大，船體所受摩擦阻力越大；并且根據(jù)史密斯效應(yīng)，波浪引起的壓力變化隨水深呈指數(shù)衰減。所以在航速較低（v＜1.4 m/s）時(shí)，船體興波不明顯，2#～5#間阻力差異不大；當(dāng)航速較高（v＞1.4 m/s）時(shí)，2#與3#間總阻力相差10%～20%，3#與4#間總阻力相差5%～10%，而4#與5#間總阻力相差小于3%，可以看出在5#的潛深范圍，自由液面的波浪對(duì)船體附近流體的影響甚微。所以整體來(lái)看，當(dāng)達(dá)到一定潛深后，船體所受總阻力變化并不顯著。

水面航行工況（0#）下濕表面積較其他工況小，因?yàn)楹剿佥^低時(shí)興波阻力不大，所以0#的總阻力比其他工況小；而航速較高時(shí)，興波阻力成為阻力的主要組成部分，導(dǎo)致總阻力迅速增大。

邊緣潛深工況（1#）下，濕表面積與完全浸沒(méi)潛深工況（2#～5#）差異不大，航速較低時(shí)興波阻力較小，所以總阻力與完全浸沒(méi)潛深工況接近；而航速較高時(shí)，興波阻力成為阻力的主要組成部分，并且波浪對(duì)船體上表面具有強(qiáng)烈的砰擊作用，總阻力增幅顯著。

3.2 興波分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)潛浮式無(wú)人船在水面航行工況（0#）下船體附近自由液面的高度，可以分析航行過(guò)程中船體的興波形況。圖11為0#工況下不同航速時(shí)船體周圍的興波情況。

圖11 0#工況不同航速下船體興波Fig.11 Wave making of hull in different speeds at 0#

可以看出，在低速航行時(shí)，船體左右兩側(cè)興波不太明顯，船艏部的自由液面無(wú)明顯的升高。隨著航速的提高，船體周圍興波現(xiàn)象逐漸顯著，船體艏艉駐點(diǎn)興波作用最強(qiáng)，波峰顯著增高，船艏產(chǎn)生明顯的上浪，船艉后自由液面也有明顯升高。圖12所示為航速為1.7 m/s時(shí)艏艉的自由液面。從能量觀點(diǎn)來(lái)看，船體必須提供興波的波能，即克服興波阻力作功。隨著航速的提高，船行波的波寬和波高顯著增大。而波能和波高的平方與波寬成正比，所以興波阻力隨航速的增加而迅速增加。

圖12 v=1.7 m/s時(shí)艏艉自由液面Fig.12 Free surface of the bow and stern when v=1.7 m/s

水面航行工況（0#）和邊緣潛深工況（1#）下，高速航行時(shí)，艏艉駐點(diǎn)附近興波最強(qiáng)，自由液面最高，船體中部自由液面下降，產(chǎn)生一個(gè)明顯的凹陷。并且邊緣潛深工況（1#）下船體中后部波浪不連續(xù)，流體運(yùn)動(dòng)紊亂。圖13所示為1#工況下航速為1.7 m/s時(shí)船體中后部自由液面下的興波情況。

圖13 1#工況下v=1.7 m/s時(shí)船體興波Fig.13 Wave making of hull when v=1.7 m/s at 1#

3.3 壓力分析

通過(guò)STAR-CCM+對(duì)船體周圍流場(chǎng)進(jìn)行可視化處理，可以直觀地反應(yīng)船體表面壓力分布情況。對(duì)比水面航行工況（0#）和邊緣潛深工況（1#）不同航速下的壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)，在航速低于1 m/s 時(shí)，由于沒(méi)有產(chǎn)生劇烈的興波，船體表面的壓力分布在水線以下隨深度的增加而均勻增大。圖14所示為0#和1#工況下航速為0.8 m/s時(shí)船體表面壓力云圖。

圖14 v=0.8 m/s時(shí)船體表面壓力云圖Fig.14 Hull surface pressure cloud map when v=0.8 m/s

在航速較大時(shí)，由于產(chǎn)生劇烈興波，船艏自由液面高度升高，船中部自由液面產(chǎn)生凹陷，所以船艏自由液面附近壓力增大，船中自由液面附近壓力降低；并且船體球艏部分形成駐點(diǎn)，在駐點(diǎn)處，由于流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，導(dǎo)致該處壓力最大。船艏和船中之間存在的流體動(dòng)壓力差也造成了阻力的增加。圖15所示為0#和1#工況下航速為1.7 m/s時(shí)船體表面壓力云圖以及球艏?jí)毫υ茍D。

圖15 v=1.7 m/s時(shí)船體表面壓力云圖Fig.15 Hull surface pressure cloud map when v=1.7 m/s at 0#and 1#

在浸沒(méi)潛深工況（2#～5#）下，由于無(wú)興波現(xiàn)象，所以船體表面壓力隨深度的增加而均勻增大，但是船艏艉流體動(dòng)壓力差相差不大，所以航速相同時(shí)，各浸沒(méi)潛深工況之間阻力相差較小。圖16 所示為2#和5#工況下速度為1.7 m/s時(shí)船體表面壓力云圖。

圖16 v=1.7 m/s時(shí)船體表面壓力云圖Fig.16 Hull surface pressure cloud map when v=1.7 m/s at 2#and 5#

3.4 船體表面流場(chǎng)分析

通過(guò)STAR-CCM+對(duì)船體周圍流場(chǎng)進(jìn)行可視化處理，可以直觀地反應(yīng)船體表面流線的分布情況。對(duì)比水面航行工況（0#）和邊緣潛深工況（1#）下不同航速的流線圖可以發(fā)現(xiàn)，船舶低速航行時(shí)船體表面流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)較為均勻、穩(wěn)定；高速航行時(shí)船體表面流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)逐漸紊亂，形成非常明顯的漩渦，并且隨著速度的增加流場(chǎng)的紊亂程度逐漸增加。由于船體需要不斷地為艉部形成的漩渦提供能量，這部分的能量耗散便以粘壓阻力的形式表現(xiàn)，所以隨航速提高粘壓阻力也逐漸增大。圖17 所示為0#和1#工況下速度分別為0.4 m/s、1.7 m/s 時(shí)船體表面流線分布圖。圖18 所示為1#工況下航速為1.7 m/s時(shí)船艏和船艉流線分布圖。

圖17 0#工況船體表面流線圖Fig.17 Hull surface streamline at 0#

圖18 1#工況v=1.7 m/s船艏船艉流線圖Fig.18 Bow and stern streamline when v=1.7 m/s at 1#

圖19 為1#工況下航速為1.7 m/s 時(shí)船體中縱剖面速度分布圖和水的體積分?jǐn)?shù)圖，結(jié)合圖13 可以看出，在該工況下船體上浪嚴(yán)重，整個(gè)船體被湮沒(méi)，流體對(duì)船體的作用劇烈且隨機(jī)性很強(qiáng)；由于船艉型線變化較大，增加了該處流場(chǎng)的復(fù)雜程度，流體分離嚴(yán)重，在該區(qū)域內(nèi)流體的速度變化非常明顯。

圖19 中縱剖面圖Fig.19 Mid-length section

在完全浸沒(méi)潛深工況（2#～5#）下，船體表面流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)均勻穩(wěn)定，隨航速的增加無(wú)明顯的紊亂現(xiàn)象。圖20所示分別為5#工況下航速為0.4 m/s和1.7 m/s時(shí)船體表面流線分布圖，可以看出在浸沒(méi)潛深工況下，即使航速顯著提高，船體表面的流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)仍十分均勻，沒(méi)有形成明顯的漩渦，所以粘壓阻力也較小。

圖20 5#工況不同航速時(shí)流線圖Fig.20 Streamlines in different speeds at 5#

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)潛浮式無(wú)人船多工況阻力試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合STAR-CCM+對(duì)船體周圍興波、船體表面壓力以及船體附近流場(chǎng)進(jìn)行可視化處理的結(jié)果.可以得出以下結(jié)論：

（1）低速航行（v＜1.4 m/s）時(shí)，水面航行工況（0#）下的濕表面積較其他工況小，摩擦阻力較小；并且船體附近無(wú)明顯的興波現(xiàn)象，興波阻力不大，波浪對(duì)船體的砰擊也較弱。所以0#工況的總阻力與潛深工況（1#～5#）相比稍小，但無(wú)較大差異.所以在平靜的海面低速航行時(shí)，各航行工況的阻力差別不顯著，可根據(jù)具體情況選擇不同的航行工況。

（2）高速航行（v＞1.4 m/s）時(shí)，水面航行工況（0#）和邊緣潛深工況（1#）船體興波明顯，船艏產(chǎn)生明顯的上浪。1#工況下船體被波浪湮沒(méi)，波浪對(duì)船體的作用劇烈且隨機(jī)性很強(qiáng)，隨航速增加興波阻力迅速增大，成為阻力的主要組成部分。

（3）完全浸沒(méi)潛深工況（2#～5#）下，船體不受興波影響，總阻力較小。低速航行時(shí)各工況間阻力差異不大；高速航行時(shí)，2#工況下船體受自由液面波浪影響比其余工況大，總阻力較大；在達(dá)到一定潛深范圍后，自由液面的波浪對(duì)船體的影響不大，船體所受總阻力差異并不顯著。所以在平靜海域高速航行時(shí)，應(yīng)選擇航行阻力最小的深潛工況。在惡劣海況下航行時(shí)，為了避免船體因波浪劇烈砰擊引起的偶然載荷，以及因螺旋槳出水引起的飛車現(xiàn)象，應(yīng)選擇完全浸沒(méi)潛深工況（2#～5#），以改善船舶的航行性能。

本文研究并總結(jié)了潛浮式無(wú)人船在靜水中多工況的水動(dòng)力性能，可為該船型在工程中的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)和支持。在進(jìn)一步的研究工作中，還可以考慮以下問(wèn)題：潛浮式無(wú)人船多工況下所受側(cè)向力、升力、偏航力矩、縱傾力矩等隨潛深和航速變化的規(guī)律;為了更加貼近實(shí)際的航行環(huán)境，考慮波浪的影響，研究潛浮式無(wú)人船多工況水動(dòng)力性能。