杜杰星,葉曉明,賈 如,王泉斌,李偉光,高瀚林
(1.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖北武漢 430074;2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北武漢 430064)
無人及其重要性艇作為一種具有環(huán)境感知、自主航行能力的小型智能化水面平臺(tái),在水面測(cè)繪、水體檢測(cè)、監(jiān)視偵察、掃雷反潛等民用和軍用領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。無人艇通常由大型母船攜帶并布放回收,在回收時(shí)需要以一定的航速逼近母船。在回收過程中,受航速、尾流以及波浪等因素影響,無人艇各方向自由度會(huì)發(fā)生不同程度的變化,其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性直接影響到無人艇回收的成功率和安全性。因此,開展無人艇回收過程動(dòng)態(tài)特性研究對(duì)保證無人艇的正?;厥眨岣邿o人艇回收成功率均具有重要意義。
2010年,王金寶等[1]以商用軟件fluent 為平臺(tái),以KVLCC2M 算例為對(duì)象,進(jìn)行了低速肥大船舶尾流場(chǎng)的數(shù)值模擬和阻力性能預(yù)報(bào)。通過將計(jì)算結(jié)果與實(shí)船實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,確定了工程上適用的計(jì)算方法,并將該計(jì)算方法應(yīng)用于多艘船舶的尾流場(chǎng)模擬和阻力性能預(yù)報(bào)。楊勇[2]采用CFD模擬船體周圍的粘性流場(chǎng),計(jì)算船體所受的水動(dòng)力,并分析了非定常操縱運(yùn)動(dòng)船體周圍流場(chǎng)的特點(diǎn)。錢小斌等[3]對(duì)不規(guī)則波擾動(dòng)進(jìn)行建模并研究其對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響,同時(shí)對(duì)比了長短峰波的波面形狀及其產(chǎn)生的力矩和波浪力,研究表明短峰不規(guī)則波會(huì)對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響。鄧銳等[4]對(duì)RANS,LES,DES,URANS 及混合RANS-LES等模型的特點(diǎn)進(jìn)行了逐一探討,并給出了各種湍流模型在船舶與海洋工程計(jì)算流體力學(xué)方面的一些應(yīng)用實(shí)例。苑洋等[5]以“育鵬”輪為研究對(duì)象,對(duì)該船的直航和斜航運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并將結(jié)果與水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性。陶志奇等[6]采用重疊網(wǎng)格及RANS方法對(duì)船模在頂浪條件下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,比較了規(guī)則波、白噪聲波譜以及雙參數(shù)譜3種計(jì)算方法的效果,并對(duì)造波參數(shù)進(jìn)行了討論。杜一豪等[7]采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)不規(guī)則波作用下船舶運(yùn)動(dòng)幅值和響應(yīng)周期的分布規(guī)律進(jìn)行了深入探討,結(jié)合傅里葉變換對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了頻譜特征分析,研究表明船舶在升沉和縱搖方向與橫搖方向的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征有著顯著差異。
本文以某型無人艇為研究對(duì)象,建立無人艇回收過程動(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模型,通過加載4級(jí)海況不規(guī)則波,分析在海浪及尾流共同作用下無人艇在逼近母船過程中橫蕩、垂蕩、橫搖角、縱搖角4個(gè)自由度的響應(yīng)特性。對(duì)比分析回收速度、偏移距離及前方有無母船等因素對(duì)無人艇回收過程動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,為后續(xù)無人艇回收條件的確定及回收過程的運(yùn)動(dòng)控制提供指導(dǎo)。
無人艇航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)可以分解為6個(gè)自由度,而描述無人艇的空間運(yùn)動(dòng)通常采用2種三維直角坐標(biāo)系,即慣性坐標(biāo)系OE-XEYEZE和隨體坐標(biāo)系Ob-XbYbZb, 這2種坐標(biāo)系均遵守右手法則,如圖1所示。
圖1 無人艇坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system of USV
慣性坐標(biāo)系OE-XEYEZE用于描述無人艇的位姿,其原點(diǎn)OE固定于水面上某點(diǎn),OEZE軸以指向地心為正。隨體坐標(biāo)系Ob-XbYbZb用于描述無人艇的速度和受力,坐標(biāo)原點(diǎn)Ob通常取在無人艇的重心G處,ObXb,ObYb,ObZb分別以指向艇首、右舷和向下為正[8–10]。
無人艇6 個(gè)自由度中的橫搖、縱搖和首搖用來確定無人艇姿態(tài),統(tǒng)稱為歐拉角,以隨體坐標(biāo)系Ob-XbYb Zb相對(duì)于慣性坐標(biāo)系OE-XEYEZE的3 個(gè)姿態(tài)角[φθ ψ]T表示,即將隨體坐標(biāo)系依次繞隨體坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸ObZb,ObYb,ObXb旋轉(zhuǎn)ψ,θ,φ角度(旋轉(zhuǎn)是指先繞ObZb軸旋轉(zhuǎn),再繞新的ObYb軸旋轉(zhuǎn),最后繞新的ObXb軸旋轉(zhuǎn))后有OEZE軸和ObZb軸平行、OEYE軸和ObYb軸平行、OEXE軸和ObXb軸平行??v蕩、橫蕩和垂蕩確定無人艇位置,以隨體坐標(biāo)系Ob-XbYbZb原點(diǎn)Ob在慣性坐標(biāo)系中的3 個(gè)坐標(biāo)分量[x y z]T表示。無人艇運(yùn)動(dòng)描述的相關(guān)符號(hào)及定義均采用造船與輪機(jī)工程師學(xué)會(huì)和國際拖曳水池會(huì)議推薦的符號(hào)體系,如表1所示。
表1 無人艇運(yùn)動(dòng)符號(hào)定義Tab.1 USV movement symbol definition
根據(jù)慣性坐標(biāo)系與隨體坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)與平移變換關(guān)系,可推導(dǎo)出兩坐標(biāo)系間的線速度運(yùn)動(dòng)量變換關(guān)系如下式:
而慣性坐標(biāo)系與隨體坐標(biāo)系間的角速度運(yùn)動(dòng)量變換關(guān)系如下式:
根據(jù)沿?zé)o人艇質(zhì)心的動(dòng)量定理和繞質(zhì)心的動(dòng)量矩定理,可得無人艇六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)方程如下式:
式中:m為無人艇質(zhì)量;Jxx,Jyy,Jzz分別為無人艇相對(duì)于隨體坐標(biāo)系Ob Xb,Ob Yb,Ob Zb3個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;X,Y,Z分別表示作用在無人艇3個(gè)方向上的合外力;K,M,N分別表示作用在無人艇3 個(gè)方向上的合外力矩。
在實(shí)際航行過程中,無人艇及其母船往往會(huì)遭遇不同等級(jí)的海況,為了模擬無人艇在真實(shí)環(huán)境中回收過程的動(dòng)態(tài)特性,在數(shù)值模型中加載了4級(jí)海況條件,其相關(guān)參數(shù)如表2所示。
表2 四級(jí)海況參數(shù)Tab.2 Parameters of level 4 sea condition
波浪是決定海況等級(jí)的主要因素,在工程上常用不規(guī)則波波浪譜來模擬波浪,采用JONSWAP波浪譜對(duì)實(shí)際波浪進(jìn)行模擬,其表達(dá)式如下式:
式中:SPM(ω)為Pierson-Moskowitz波浪譜;Aγ=1-0.287ln(γ)為歸一化因子;γ為無量綱峰形參數(shù),取平均值3.3;ωp表示波譜峰值頻率,根據(jù)譜峰周期Tp計(jì)算得到,ωp=2π/Tp;σ為頻譜寬度參數(shù),ω≤ωp時(shí)取為σa,其均值為0.07,ω>ωp時(shí)取為σb,其均值為0.09。
無人艇回收過程動(dòng)態(tài)特性仿真所涉及的幾何模型包括無人艇、母船及計(jì)算水域三部分。其中,無人艇及母船主要特征參數(shù)如表3所示。
表3 船體相關(guān)幾何參數(shù)Tab.3 Hull related geometric parameters
本文重點(diǎn)研究無人艇在回收過程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),對(duì)無人艇及母船水線以上的幾何外形進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。為消除計(jì)算域出口邊界處回波的反射干擾,將無人艇和計(jì)算水域出口之間的距離適當(dāng)加大,計(jì)算水域取值為長320 m、寬120 m、高50 m。無人艇及母船按照吃水深度布置在計(jì)算水域水平面相應(yīng)位置,無人艇、母船及計(jì)算域幾何模型如圖2所示。
圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model
采用切割體網(wǎng)格單元對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并將切割體網(wǎng)格與自由表面對(duì)齊以確保對(duì)自由表面能進(jìn)行正確求解。船體的運(yùn)動(dòng)過程采用重疊網(wǎng)格法實(shí)現(xiàn),即建立一個(gè)長方體運(yùn)動(dòng)區(qū)域(重疊區(qū)域)將船體包裹起來,該長方體邊界作為重疊邊界與外部計(jì)算水域(背景區(qū)域)進(jìn)行耦合并交換數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)船體的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程,背景區(qū)域和重疊區(qū)域的基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸根據(jù)整個(gè)計(jì)算水域以及母船和無人艇的幾何尺寸確定。
為了精確捕獲不規(guī)則波及母船尾流對(duì)無人艇的作用力,對(duì)計(jì)算水域水平面附近及母船后方網(wǎng)格進(jìn)行加密,使用精細(xì)的網(wǎng)格來解析小型波。同時(shí)在遠(yuǎn)離水平面及遠(yuǎn)離船體方向上逐級(jí)增加網(wǎng)格尺寸來減小計(jì)算壓力。
不同的網(wǎng)格密集程度對(duì)求解速度和計(jì)算精度有很大影響,為了確保所劃分的網(wǎng)格能夠在保持計(jì)算精度的同時(shí)有較快的計(jì)算速度,將無人艇放置于初始回收位置,僅保留其縱搖和垂蕩方向自由度的運(yùn)動(dòng),在計(jì)算域中施加方向與ObXb軸相反、大小為2 m/s的流速和風(fēng)速以模擬無人艇的拖曳試驗(yàn),并以O(shè)bYb軸力矩平衡狀態(tài)下的無人艇阻力為參考對(duì)象,通過修改網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸來改變網(wǎng)格數(shù)量以驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性,不同網(wǎng)格數(shù)量下的無人艇阻力及相對(duì)變化率如表4所示,無人艇阻力變化曲線如圖3所示。
表4 不同網(wǎng)格數(shù)量下無人艇阻力及相對(duì)變化率Tab.4 USV resistance and relative variation ratio under different grid numbers
圖3 無人艇阻力相對(duì)變化率曲線Fig.3 Curve of USV′s relative variation ratio of resistance
根據(jù)表4和圖3,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到338萬以上時(shí),無人艇阻力與網(wǎng)格密集程度無關(guān)。最終對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分后背景區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為1911418,節(jié)點(diǎn)數(shù)為2018462,重疊區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為1 464 505,節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 533 407,圖4為母船和無人艇在計(jì)算水域中的網(wǎng)格剖面圖。
圖4 網(wǎng)格剖面圖Fig.4 Mesh section
本文湍流模型采用K-Epsilon 兩層模型,相應(yīng)地使用了2層全y+的壁面處理方法,以混合壁面函數(shù)對(duì)湍流邊界層內(nèi)層主物理量(湍流量、速度、溫度)進(jìn)行代數(shù)逼近,混合壁面函數(shù)是覆蓋湍流邊界層3個(gè)子層的連續(xù)函數(shù),通過恰當(dāng)?shù)鼗旌险承宰訉雍蛯?duì)數(shù)層來表示緩沖層。
計(jì)算為隱式非定常類型,使用二階時(shí)間離散精度,時(shí)間步長設(shè)置為0.0025 s,足夠小的時(shí)間步長能確保無人艇在每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)的位移不超過半個(gè)網(wǎng)格單元長度,從而避免使用二階時(shí)間離散化的模擬出現(xiàn)發(fā)散的情況。每個(gè)時(shí)間步的內(nèi)迭代次數(shù)設(shè)置為10,以保證計(jì)算的精度和穩(wěn)定性。
為了模擬4級(jí)海況的影響,采用VOF波模型用于模擬空氣域和水域交界面上的表面重力波,選用不規(guī)則波類型,參數(shù)設(shè)置如表5所示。
表5 不規(guī)則波參數(shù)Tab.5 Parameter of irregular wave
整個(gè)計(jì)算域中的兩相流體分別是空氣和水,其材料屬性參數(shù)如表6所示。
表6 流體物性參數(shù)Tab.6 Physical parameter of fluid
在模擬不規(guī)則波的過程中,需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┍苊獠ǖ姆瓷?。波的反射? 個(gè)來源:1)由于突兀的網(wǎng)格過渡所造成的波反射,可通過在網(wǎng)格稠密區(qū)域和網(wǎng)格稀疏區(qū)域之間采用多個(gè)過渡層來解決;2)來自邊界的波反射。為了消除邊界造成的波反射,需要在計(jì)算水域中激活阻尼選項(xiàng),阻尼將垂直阻力引入垂直運(yùn)動(dòng),從而在邊界處對(duì)傳播過來的波起到一定的衰減作用,避免其在邊界處反射。VOF波阻尼長度一般設(shè)置為至少一個(gè)波長,本文將VOF波阻尼長度設(shè)置為30 m,并將計(jì)算水域的出口及左右兩側(cè)開啟VOF波阻尼,同時(shí)加大母船后方計(jì)算域長度作為消波區(qū)。整個(gè)計(jì)算模型邊界條件設(shè)置如表7所示。
表7 邊界條件Tab.7 Boundary Conditions
對(duì)于采用尾滑道回收裝置進(jìn)行回收的無人艇來說,為了回收時(shí)的平穩(wěn)性,母船和無人艇通常在迎浪條件下進(jìn)行回收,這樣能夠在最大程度上避免橫向和斜向波浪對(duì)回收的影響,同時(shí)無人艇應(yīng)盡量保持直線運(yùn)動(dòng)駛向母船。因此,在回收過程中無人艇的運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為四自由度操縱運(yùn)動(dòng),即認(rèn)為無人艇在慣性坐標(biāo)系XEOEYE水平面上保持恒定的速度和方向,縱蕩和首搖方向運(yùn)動(dòng)幅值變化率恒定,只考慮無人艇橫蕩、垂蕩、縱搖及橫搖方向上的運(yùn)動(dòng)幅值隨著無人艇回收過程的變化,且波浪方向設(shè)置為與無人艇航行方向相反以實(shí)現(xiàn)迎浪條件。
標(biāo)準(zhǔn)工況下,將無人艇放置在母船正后方20 m,無人艇與母船中心線重合,母船航速設(shè)定為5 m/s,無人艇航速設(shè)定為10 m/s,波浪前進(jìn)方向與無人艇航行方向成180°。
由于不規(guī)則波的傳遞需要一定的時(shí)間,在進(jìn)行非定常仿真時(shí),對(duì)無人艇設(shè)定1.0 s的延遲時(shí)間,以便加載的不規(guī)則波能充分發(fā)展并作用于母船產(chǎn)生尾流。因此,無人艇實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)間將從1.0 s開始,總計(jì)算時(shí)長為3.5 s。在此過程中無人艇運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及自由液面云圖如圖5和圖6所示。
圖5 標(biāo)準(zhǔn)工況運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.5 Motion response in standard conditions
圖6 標(biāo)準(zhǔn)工況自由液面云圖Fig.6 Free liquid surface cloud diagram under standard conditions
可知,t=1.0 s時(shí),不規(guī)則波已充分發(fā)展并作用于母船產(chǎn)生尾流,無人艇以5 m/s相對(duì)速度由母船正后方逼近。在此過程中,受母船尾流及不規(guī)則波的影響,無人艇縱搖角發(fā)生明顯上升,并在一定區(qū)間內(nèi)波動(dòng),無人艇垂蕩位移也隨著水面波動(dòng)發(fā)生明顯變化。由于標(biāo)準(zhǔn)工況下無人艇與母船中心線重合,無人艇兩側(cè)受力基本均衡,在回收過程中無人艇橫搖角和橫蕩位移變化均不大。通過上述分析可知,標(biāo)準(zhǔn)工況下無人艇沿母船中心線以10 m/s 的航速運(yùn)動(dòng),在正面4級(jí)海況及母船尾流的綜合作用下仍能保持相對(duì)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。因此,可將該工況作為該型無人艇安全回收的標(biāo)準(zhǔn)工況。
此外,通過觀察標(biāo)準(zhǔn)工況下自由液面不規(guī)則波傳播云圖可知,不規(guī)則波并沒有在兩側(cè)以及出口處產(chǎn)生波的反射。
為分析不同回收速度對(duì)無人艇運(yùn)動(dòng)特性的影響,在標(biāo)準(zhǔn)工況基礎(chǔ)上將無人艇航速由原來的10 m/s 分別調(diào)整為7.5 m/s,12.5 m/s 和15 m/s,其余條件不變。不同回收速度工況下,無人艇運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如圖7所示。
圖7 變速工況運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.7 Motion response in variable speed conditions
與標(biāo)準(zhǔn)工況相比,當(dāng)無人艇航速降低至7.5 m/s時(shí),橫蕩、垂蕩及橫搖方向上的運(yùn)動(dòng)幅值改變不大且變化更加平緩。而在縱搖方向上盡管最大幅值超過了標(biāo)準(zhǔn)工況,但與標(biāo)準(zhǔn)工況相比差值不大且到達(dá)峰值后較快下降。當(dāng)無人艇航速提升至12.5 m/s時(shí),該工況下計(jì)算僅進(jìn)行了2.2 s,因?yàn)榇藭r(shí)無人艇縱搖角急劇上升,并超過了30°,同時(shí)垂蕩方向峰值位移也超過2 m,已經(jīng)超過了無人艇的安全極限。當(dāng)無人艇航速進(jìn)一步提升至15 m/s 時(shí),計(jì)算進(jìn)行到2.17 s 時(shí),無人艇縱搖角已急劇上升超過40°,垂蕩位移也急劇上升接近4 m。
由此可見,在回收過程中如果增加無人艇的航速,則無人艇將會(huì)有傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在4級(jí)海況及母船尾流綜合作用下,無人艇回收航速應(yīng)控制在一定范圍內(nèi),必要時(shí)甚至減速,避免因縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值過大而導(dǎo)致無人艇的傾覆。
為分析無人艇與母船軸線不對(duì)中存在偏移時(shí),對(duì)無人艇運(yùn)動(dòng)特性的影響,將無人艇沿OEYE方向分別偏移1/4母船型寬(4.35 m)、1/2母船型寬(8.7 m)和3/4母船型寬(13.05 m),其余條件不變。特別地,當(dāng)無人艇偏移母船較遠(yuǎn)時(shí),可視為無人艇前方無母船。不同偏移工況下,無人艇運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如圖8所示。
圖8 偏移工況運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.8 Motion response in migration conditions
可知,當(dāng)無人艇與母船之間的偏移距離控制在母船1/2型寬及其以內(nèi)時(shí),無人艇的縱搖角和垂蕩位移處于一個(gè)較安全的區(qū)間且波動(dòng)較為平緩,而橫搖角和橫蕩位移幅度均不大。因此,在實(shí)際回收過程中,應(yīng)盡量將無人艇與母船的偏移距離控制在一定范圍內(nèi),這樣無人艇的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小,有利于無人艇的平穩(wěn)回收。
當(dāng)無人艇與母船之間的偏移距離進(jìn)一步增大,達(dá)到3/4母船型寬,或前方無母船時(shí),無人艇將直接與4級(jí)海浪迎面遭遇,在回收過程中無人艇縱搖角和垂蕩位移發(fā)生明顯上升,且波動(dòng)更加劇烈,無人艇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變得不穩(wěn)定。
由此可見,當(dāng)無人艇在回收航行過程中正面遭遇波浪時(shí),無人艇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng),需要降低航速,并通過自動(dòng)航行系統(tǒng)穩(wěn)定航向,確保無人艇的航行安全。此外,在回收過程中當(dāng)無人艇接近母船后方時(shí),由于前方母船的遮擋作用,4級(jí)海浪對(duì)無人艇的正面作用大大減小,盡管此時(shí)受到母船的尾流影響,但綜合來看前方有母船時(shí)無人艇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)更加平穩(wěn),有利于回收。
本文以某型無人艇為研究對(duì)象,建立無人艇回收動(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模型,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工況下無人艇回收過程的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析。在此基礎(chǔ)上,對(duì)比分析了不同回收航速及偏移距離等因素對(duì)無人艇回收運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性影響規(guī)律,得到主要結(jié)論如下:
1)標(biāo)準(zhǔn)工況下,該型無人艇的回收航速及航行路線能夠保證無人艇回收的穩(wěn)定性,確?;厥者^程的快速性和安全性。
2)如果在標(biāo)準(zhǔn)工況的基礎(chǔ)上提高無人艇的回收航速,將引起無人艇縱搖角及垂蕩位移急劇上升,給無人艇帶來傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。
3)在正面遭遇波浪時(shí),若無人艇前方有母船,盡管此時(shí)無人艇受到母船尾流及周圍波浪的綜合影響,但相比于前方無母船直接遭遇波浪的情況,此時(shí)無人艇的航行穩(wěn)定性仍然要更好。因此,在無人艇的回收過程中,若周圍海況條件不佳,波浪較大時(shí),應(yīng)選擇跟隨在回收母船后方,再根據(jù)實(shí)際航行狀態(tài)對(duì)無人艇進(jìn)行回收的回收策略。
4)無人艇在實(shí)際回收過程中并不會(huì)像標(biāo)準(zhǔn)工況那樣完全沿母船中心線回收,而是存在一定的偏移距離。在這種情況下,只要偏移距離不超過一定范圍,無人艇的航行穩(wěn)定性就和標(biāo)準(zhǔn)工況下較為接近,仍然滿足無人艇回收的穩(wěn)定性條件。