滑落式救生艇入水階段運動響應(yīng)數(shù)值預(yù)報研究

凌宏杰，錢進(jìn)，王志東，徐峰

（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

隨著國家海洋戰(zhàn)略的推進(jìn)實施以及國際航運事業(yè)的迅猛發(fā)展，船舶上的人員安全問題越來越受到各國海事組織的高度重視，救生艇及其釋放裝置已成為國際海上人命安全公約強制要求配備的海上救生設(shè)備。將自由滑落式救生艇安放于船艉，由艇內(nèi)操作人員打開釋放鉤即可完成釋放，具有操作簡單、安全性高、降落速度快的優(yōu)點。因此，自由滑落式救生艇已成為國際上最為安全的船舶救生撤離系統(tǒng)，對于保障海上人員生命安全意義重大［1］。

救生艇從空氣中進(jìn)入水中后，周圍介質(zhì)的突變會引起結(jié)構(gòu)物表面及內(nèi)部空間產(chǎn)生劇烈的沖擊載荷，同時物體與流場之間的相互作用對其運動姿態(tài)與入水速度產(chǎn)生影響，因此救生艇入水階段的運動響應(yīng)變得異常復(fù)雜。自Von［2］的開創(chuàng)性研究以來，研究者采用多種方法研究結(jié)構(gòu)物入水問題。馬慶鵬等［3］采用流體體積法多相流模型，引入重疊網(wǎng)格技術(shù)分析了錐頭圓柱體入水后速度及入水空泡形態(tài)的發(fā)展規(guī)律；Wei等［4］實驗研究了三維圓柱體的平移運動和旋轉(zhuǎn)運動規(guī)律；王海洋［5］基于建立的重疊網(wǎng)格數(shù)值計算方法，分析了初始運動參數(shù)對導(dǎo)彈尾罩入水過程的流場特性、運動特性和流體動力特性的影響；Jiang 等［6］試驗研究了彈丸體入水過程近水面空腔的流動特性，Gao 等［7］通過求解雷諾平均納維-斯托克斯方程和六自由度剛體運動方程，研究了高速圓柱彈丸體斜向入水的主要特征。Shentu［8］基于浸濕邊界法（boundary data immersion method,BDIM）和流體體積法（volume of fluid method，VOF）分析疏水性物體的入水運動軌跡引起的空腔形狀；Cheng［9］采用光滑粒子（smoothed particle hydrodynamics,SPH）方法對船艏入水三維模擬，研究了沖擊載荷的變化特征、流動分離以及噴霧射流現(xiàn)象。Xie 等［10］利用模型試驗研究船艏入水運動響應(yīng)以及瞬態(tài)砰擊等具有強非線性特征的流固耦合現(xiàn)象；余德磊等［11］研究了不同參數(shù)下并聯(lián)運動體的空泡形態(tài)及特征尺寸變化、側(cè)向與偏航運動規(guī)律。

本文針對滑落式救生艇入水階段運動響應(yīng)問題，基于粘性流體理論，建立了一套救生艇入水運動響應(yīng)數(shù)值預(yù)報方法，開展了不同垂向初速度、水平初速度和入水角度對救生艇入水運動響應(yīng)的影響，定量分析了初始條件對救生艇入水垂向和水平加速度及入水深度等參數(shù)的影響。

1 救生艇模型建立與計算方法

1.1 救生艇模型及網(wǎng)格劃分

選取某一封閉式救生艇為研究對象，救生艇三維模型和主尺度分別如圖1，救生艇總長12.5 m，高度4.2 m，型寬5.5 m，空艇重12 850 kg，滿載總重37 650 kg。為了節(jié)約計算資源、提高計算效率，將救生艇距離液面以上H0=0.5 m 作為入水砰擊載荷計算的初始位置，以此時刻拋落速度視為入水初速度。設(shè)置初速度及初始縱搖角模擬入水前空中拋落末狀態(tài)。采用重疊網(wǎng)格技術(shù)分別建立嵌套域與背景域，其中嵌套域為3L×2L×2L，背景域為8L×8L×5.5L，L為艇長，計算域網(wǎng)格劃分見圖2。為了捕獲砰擊發(fā)生、射流和自由液面變形現(xiàn)象，在砰擊發(fā)生區(qū)域、自由液面附近和艇體可能的運動范圍處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，保證嵌套域與背景域在數(shù)值插值的地方網(wǎng)格盡量尺寸一致。全局網(wǎng)格數(shù)量為910 萬，網(wǎng)格最小夾角為23.28°，正交性良好。

圖1 救生艇三維模型Fig.1 Three dimensional model of lifeboat

圖2 救生艇計算模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Lifeboat calculation model meshing

1.2 計算工況

滑落式救生艇入水分為軌道滑行、空中自由落體、砰擊入水和上浮4 個階段［12］。入水階段作為滑落式救生艇入水全過程中最復(fù)雜的一個階段，涉及到固液耦合、自由液面變形等復(fù)雜水動力學(xué)問題。采用空中自由落體階段計算結(jié)果作為入水階段的初始條件，保證救生艇入水全過程運動中動能的連續(xù)性。本文制定了數(shù)值計算工況表（見表1）。表1 中工況A1～A6、B1～B3、C1～C6分別用于探討不同垂向初速度、水平初速度和不同入水角對救生艇入水階段運動性能的影響。圖3給出了滑落式救生艇入水前的初始狀態(tài)示意圖，水平向右為x正方向，垂直于水面向上為z軸正方向，坐標(biāo)系滿足右手系，艇體中軸線與自由面夾角為縱傾角θ，艇艏最低點距離自由面初始高度H0=0.5 m。

表1 入水運動計算工況表Table 1 Working condition table of water entry movement calculation

圖3 滑落式救生艇入水前的初始狀態(tài)示意Fig.3 Schematic diagram of the initial state of the slidedown lifeboat before entering the water

1.3 計算參數(shù)設(shè)置

基于粘性流體理論的滑落式救生艇三自由度入水運動響應(yīng)數(shù)值計算的參數(shù)設(shè)置如下。

1）三維非定常雙相流；壓力速度耦合求解算法；動量方程采用中心差分格式離散；

2）選用k-ω（SST-Menter）湍流模型，k與ω的值與雷諾數(shù)有關(guān)；湍流方程采用中心差分格式離散；自由面采用混合自由面捕捉與重構(gòu)相結(jié)合格式離散；

3）艇體表面均采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，嵌套域外邊界采用重疊條件，背景域上下重力方向邊界設(shè)為指定壓力，其他邊界設(shè)為遠(yuǎn)場條件；

4）耦合求解前進(jìn)、垂蕩、縱搖3 個自由度，約束另外3個自由度；整個計算采用非定常條件，時間步長Δt=0.000 1 s 保證高精度捕捉艇體入水瞬態(tài)過程的運動。

2 計算結(jié)果與分析

文中數(shù)據(jù)為監(jiān)測艇體重心處的加速度、速度和位移等參數(shù)；艇體運動軌跡z值以自由面位置為零點，最大入水深度為運動軌跡最低點為準(zhǔn)。

2.1 初始垂向速度對救生艇入水運動影響分析

圖4給出了不同初始垂向速度下救生艇入水過程中垂向加速度和速度時歷曲線。從圖4中可以看出：

圖4 不同初始垂向速度下救生艇垂向加速度與速度時歷曲線Fig.4 Vertical acceleration and velocity time history curves of lifeboats at different initial vertical velocities

1）艇體接觸自由液面前，主要受重力、空氣阻力作用的影響，經(jīng)短暫加速后與水面接觸，出現(xiàn)砰擊現(xiàn)象，加速度迅速增至最高值，峰值達(dá)25.9g，壓力釋放后，出現(xiàn)快速衰減現(xiàn)象，隨著艇體快速入水對水體的高速擠壓，間隔約0.08 s 后會出現(xiàn)二次峰值，釋放艇體壓力后，經(jīng)過二次減速后，艇體運動速度大幅下降，加速度趨于緩和直至達(dá)到平衡狀態(tài)。

2）垂向加速度隨著初始垂向速度增加而增加，救生艇入水瞬間加速度越大產(chǎn)生的沖擊力越大；垂向速度從20～35 m/s對應(yīng)的峰值加速度分別為8.7、12.7、16.2、19.1、20.3、25.9g；當(dāng)vz≤29 m/s 時，加速度斜率約為1.1g；當(dāng)vz≥32 m/s時，加速度斜率約為1.8g；當(dāng)29 m/s＜vz＜32 m/s時，加速度處于轉(zhuǎn)捩區(qū)。

圖5給出了不同初始垂向速度下救生艇入水過程中水平加速度和速度時歷曲線。從圖5中可以看出：

圖5 不同初始垂向速度下救生艇水平加速度與速度時歷曲線Fig.5 Lifeboat horizontal acceleration and speed time history curves at different initial vertical speeds

1）艇體與水面接觸前，水平方向不產(chǎn)生加速度；當(dāng)艇體與水面接觸時，艇體艏部下緣產(chǎn)生高壓區(qū)，艇體產(chǎn)生作用力在水平方向產(chǎn)生一個分量，使艇體產(chǎn)生一個前沖的加速度，進(jìn)而出現(xiàn)向前的加速運動現(xiàn)象，該作用力為瞬態(tài)作用載荷（0.2 s 內(nèi)完成整個作用過程），與垂向加速度具有同步性，艇體前沖運動中受到水動阻力作用，速度不斷減小。瞬態(tài)作用載荷產(chǎn)生的水平加速度最大值達(dá)6g。

2）水平加速度隨著初始垂向速度增加而增加，初始垂向速度從20～35 m/s 對應(yīng)的水平加速度峰值分別為1.86、2.74、3.41、4.02、4.93、6.0g，近似滿足線性關(guān)系，斜率約為0.265g；救生艇前沖速度越大，有助于救生艇快速遠(yuǎn)離母船。

圖6給出了不同垂向速度下救生艇入水運動軌跡和縱傾角時歷曲線。從圖6中可以看出：

圖6 不同初始垂向速度下救生艇入水運動軌跡和縱傾角時歷曲線Fig.6 Time history curves of the lifeboat entering the water trajectory and trim angle at different initial vertical speeds

1）從艇體艏部接觸到自由液面至最大入水深度所需時間約0.7 s（結(jié)合圖4（b））；不同初始垂向速度下艇體的入水階段運動軌跡具有相似性；入水深度和前沖距離隨著垂向速度的增加而增加。當(dāng)vz=35 m/s時，最大入水深度為He=7.26 m，此刻前沖距離為9 m。

2）當(dāng)艇體艏部與水面接觸時，出現(xiàn)砰擊現(xiàn)象，產(chǎn)生較大抬艏力矩，使艇體迅速從埋艏轉(zhuǎn)化為抬艏所需時間小于0.5 s；縱傾角變化率隨初始垂向速度增加而增加。

綜上所述，救生艇入水階段的水平、垂向加速度及縱傾角變化率與初始垂向速度關(guān)系密切；由于人員承受瞬時極限加速度為20g，因此初始垂向速度不超過29 m/s。不同初始垂向速度救生艇入水深度和加速度峰值統(tǒng)計值詳見表2。

表2 不同初始垂向速度下救生艇入水深度和加速度峰值統(tǒng)計值Table 2 Statistics of lifeboat penetration depth and peak acceleration at different initial vertical velocities

2.2 初始水平速度對救生艇入水運動影響分析

圖7～9給出不同初始水平速度下救生艇垂向和水平向加速度和速度時歷曲線及運動軌跡與入水縱傾角時歷曲線，從圖7～9中可以看出，3個初始水平速度下，各條曲線處于重合狀態(tài)，表明初始水平速度對垂向和水平加速度、入水深度、入水縱傾角的影響不大。

圖7 不同初始水平速度下救生艇垂向加速度與速度時歷曲線Fig.7 Vertical acceleration and velocity time history curves of lifeboats at different initial horizontal velocities

圖8 不同初始水平速度下救生艇水平加速度與速度時歷曲線Fig.8 Lifeboat horizontal acceleration and speed time history curves at different initial horizontal speeds

圖9 不同初始水平速度下救生艇入水運動軌跡和縱傾角時歷曲線Fig.9 Time history curve of the lifeboat entering the water trajectory and trim angle at different initial horizontal speeds

2.3 初始縱傾角對救生艇入水運動影響分析

圖10給出了不同初始縱傾角下救生艇入水過程中垂向加速度和速度時歷曲線。從圖10中可以看出：

圖10 不同初始縱傾角下救生艇垂向加速度與速度時歷曲線Fig.10 Time-history curves of vertical acceleration and velocity of lifeboats under different initial trim angles

1）艇體不同初始縱傾角入水加速度均出現(xiàn)2次峰值，對應(yīng)艇體受到2次壓力峰值，隨著縱傾角的增加，出現(xiàn)第2 次壓力峰值的時間后移，且趨于平緩；艇體與水體的接觸面隨著初始縱傾角的增加而減小，艇體受到水體的水動壓力隨之減弱，因此出現(xiàn)峰值壓力減小現(xiàn)象；艇體入水后，隨著初始縱傾角的增加，艇體垂向速度衰減速率減小。

2）垂向加速度隨著初始縱傾角增加而減小，初始縱傾角θ從30°～60°對應(yīng)的峰值加速度分別為16.2、14.7、12.3、11.3、10.9、10.8g和10.7g；當(dāng)θ≤45°時，加速度斜率約為-0.342g；當(dāng)θ≥50°時，加速度趨于穩(wěn)定；當(dāng)45°＜θ＜50°時，加速度處于轉(zhuǎn)捩區(qū)。

圖11給出了不同初始縱傾角下救生艇入水過程中水平加速度和速度時歷曲線。從圖11中可以看出：

圖11 不同初始縱傾角下救生艇水平加速度與速度時歷曲線Fig.11 Time history curves of horizontal acceleration and velocity of lifeboats at different initial trim angles

1）隨著艇體初始縱傾角的增加，艇體艏部與水體接觸時，頂部區(qū)域面積不斷增加，而艏部底部面積減小，水動壓力作用于艏部底部面積產(chǎn)生前沖力，而作用于頂部區(qū)域產(chǎn)生反沖力，因此入水前期艇體水平加速度出現(xiàn)反沖現(xiàn)象，且隨著縱傾角的增加而增加，作用時間極短約為0.1 s；隨著時間推移，艇體入水深度增加和縱傾角快速增加，改變艇體的姿態(tài)，艇體受到的水動壓力合力表現(xiàn)為前沖力，艇體沿水平加速運動，作用時間約為0.4 s；最后前沖運動中艇體受到水動阻力作用，速度不斷減小。當(dāng)θ=30°時，瞬態(tài)作用載荷產(chǎn)生的水平加速度最大值達(dá)3.41g。

2）水平加速度隨著初始縱傾角增加而較小，初始縱傾角θ從30°～60°對應(yīng)的峰值加速度分別為3.41、3.39、3.35、3.20、3.10、2.63g和2.02g，當(dāng)θ≤45°時，加速度變化不大；當(dāng)θ≥50°時，加速度斜率約為-0.108g；當(dāng)45°＜θ＜50°時，水平加速度處于轉(zhuǎn)捩區(qū)。

圖12 給出了不同初始縱傾角下救生艇入水運動軌跡和縱傾角時歷曲線。從圖12中可以看出：

圖12 不同初始縱傾角下救生艇入水運動軌跡和縱傾角時歷曲線Fig.12 Trajectory of the lifeboat entering the water and the time history curve of the trim angle under different initial trim angles

1）不同初始縱傾角下艇體的入水階段運動軌跡具有相似性；入水深度隨著初始縱傾角的增加而增加。當(dāng)θ=60°時，最大入水深度為He=7.35 m，此刻前沖距離為8 m。

2）不同初始縱傾角下艇體的入水階段縱傾角變化具有相似性；艇體達(dá)到水平姿態(tài)所需時間隨著初始縱傾角的增加而增加。

綜上所述，救生艇入水階段的水平、垂向加速度及縱傾角變化率與初始縱傾角關(guān)系密切；從人員安全和快速逃離的角度出發(fā)，初始縱傾角應(yīng)不超過45°。不同初始縱傾角救生艇入水深度和加速度峰值統(tǒng)計值詳見表3，初始水平速度vx為10 m/s，垂向速度vy為26 m/s。

表3 不同初始縱傾角下救生艇入水深度和加速度峰值統(tǒng)計值Table 3 Statistics of lifeboat penetration depth and peak acceleration at different initial trim angles

3 結(jié)論

1）救生艇入水前的垂向速度和縱傾角對其入水階段的加速度、入水深度和前沖距離影響較大，而水平速度影響較小，可忽略不計；

2）救生艇入水縱傾角不超過45°，有助于增加救生艇前沖距離，提高其快速逃離能力。

3) 救生艇入水垂向速度與加速度關(guān)系密切，可通過降低救生艇垂向速度，有效降低其入水加速度，提高人員安全性。