W. Milewski, B. Connell, B. PetersenD. Kring

氣墊船動(dòng)力學(xué)ACVSIM模型的初步驗(yàn)證（一）

W. Milewski, B. Connell, B. Petersen1D. Kring2

（1Applied Physical Sciences Corporation，2Flight Safety Technologies, Inc.）

孫新 編譯

人們對改進(jìn)氣墊載具的耐波性動(dòng)力學(xué)預(yù)測能力重新產(chǎn)生了興趣。這導(dǎo)致了第一原理數(shù)值模擬模型ACVSIM (Milewski等人，2007)的發(fā)展，該模型集成了氣墊和裙擺動(dòng)力學(xué)模型與基于高階樣條的流體動(dòng)力學(xué)邊界元模型。本文概述了ACVSIM最近的改進(jìn)，以及使用2007年秋季獲得的基線深裙作為模型尺度的LCAC進(jìn)行初始驗(yàn)證研究的結(jié)果。該仿真工具提供了研究設(shè)計(jì)修改的影響的能力，以及模型載具縮放問題與多耦合物理系統(tǒng)的問題。

1 簡介

為了支持正在進(jìn)行的和未來的設(shè)計(jì)工作，需要新的計(jì)算工具來模擬氣墊船的耐波性性能。氣墊船（ACV）的許多現(xiàn)有模擬功能是在1960、1970和1980年代最初的LCAC設(shè)計(jì)成果中開發(fā)的。這些仿真模型通?；谛∫?guī)模實(shí)驗(yàn)中得到的系數(shù)，這限制了它們在創(chuàng)新船體概念或諸如裙擺和升力風(fēng)扇等子系統(tǒng)中的效用。隨著計(jì)算能力、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和計(jì)算力學(xué)的進(jìn)步，開發(fā)新的，用以定量評估設(shè)計(jì)修改，補(bǔ)充比例模型試驗(yàn)的模擬工具成為可能。

在20世紀(jì)60年代和70年代的研究項(xiàng)目，主要集中在理解全裙擺氣墊船的相關(guān)物理原理，這最終導(dǎo)致了ACV仿真模型的發(fā)展。為了模擬ACV在波浪中的運(yùn)動(dòng)，Doctors(1972、1974和1975)采用了基于瞬態(tài)波格林函數(shù)的線性化水動(dòng)力模型、氣墊可壓縮流體模型和供氣系統(tǒng)的流動(dòng)連續(xù)性模型。通過在氣墊下方的自由表面邊界條件上附加一個(gè)壓力項(xiàng)，船體和氣墊動(dòng)力學(xué)與自由表面耦合。該工作證明了將氣墊視為可壓縮流體的重要性，并說明了可變形自由表面對非定常船體運(yùn)動(dòng)的影響。類似的方法也被其他人開發(fā)來研究ACV的耐波性能和穩(wěn)態(tài)波阻力。這些工作共同構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)的基于物理的氣墊載具動(dòng)態(tài)仿真模型的基礎(chǔ)(Mantle, 1980)，(Yun和Bliaut, 2005)。

以前基于物理的模擬模型的一個(gè)不足是，用這些模型計(jì)算的運(yùn)動(dòng)沒有表現(xiàn)出，與在尺度模型試驗(yàn)中觀察到的相同的阻尼。模擬和實(shí)驗(yàn)之間的差的相關(guān)性可能是由于不完全理解物理阻尼機(jī)制原因。在自由表面產(chǎn)生的波是阻尼的來源之一。阻尼的其他來源還包括粘彈性裙板材料的變形(Chung, 2002) (Graham and Sullivan, 2002)以及風(fēng)扇、裙板和氣墊系統(tǒng)的不穩(wěn)定氣流。模擬需要充分耦合空氣通過船體和氣墊，裙擺的結(jié)構(gòu)變形，水動(dòng)力輻射和衍射與波的相互作用。

最近開發(fā)了一種用于氣墊船動(dòng)力學(xué)的時(shí)域數(shù)值模擬模型，稱為ACVSIM（Milewski等，2007），本文的主題是對這種方法的驗(yàn)證。ACVSIM將高階Rankine面板方法與氣墊和裙板動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合，以預(yù)測ACV的運(yùn)動(dòng)。在開發(fā)氣墊和裙板模型時(shí)，我們引用了從氣墊分析模型中獲得的有關(guān)知識（Pollack等，2007）。

在對氣墊動(dòng)力學(xué)建模時(shí)，ACVSIM使用了ACV的非線性幾何形狀和海面高程，包括船體產(chǎn)生的波浪的近似值。進(jìn)行這種高級處理是為了模擬船體在平靜水中，以及在遠(yuǎn)海狀態(tài)下，存在可能的海浪撞擊甲板下的響應(yīng)。它還允許整合其他機(jī)械阻尼和恢復(fù)力，例如與在船體俯仰或側(cè)傾時(shí)裙部和自由表面之間的相互作用相關(guān)的力。

1.1 美軍登陸氣墊艇 (LCAC)背景

圖1為美國海軍LCAC的照片。在本文中提出的仿真模型中，主要關(guān)注的部件是浮力箱(主船體甲板)、升力風(fēng)扇和沿載具整個(gè)周長運(yùn)行的裙擺系統(tǒng)。LCAC采用了一種袋形和指形的裙擺，由裙擺頂部的充氣膜(袋)和大量向下延伸到自由表面的皮瓣(指)組成。裙板為在正常運(yùn)行條件下支持載具的高壓區(qū)域提供密封。

如圖2所示為典型的裙擺截面示意圖。由附著在船體結(jié)構(gòu)上的外部和內(nèi)部兩部分袋子組成。內(nèi)袋膜的送氣孔允許空氣從袋室流向氣墊。圖2所示的裙部，具備典型的沿著LCAC兩側(cè)的內(nèi)指和外指。這種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在船體向一側(cè)側(cè)傾時(shí)提供了額外的恢復(fù)功能，縮小了手指下方的縫隙，增加了局部裙擺的壓力。

響應(yīng)性是裙擺設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)樗鼤绊憵鈮|的空氣泄漏，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)升力風(fēng)扇的功率要求，并影響ACV在波浪中的行駛質(zhì)量?，F(xiàn)代響應(yīng)式裙擺設(shè)計(jì)關(guān)注于在受到不同表面擾動(dòng)時(shí)承受較大的幾何變形；氣囊對長水波或地面上升的擾動(dòng)做出反應(yīng)，而手指則對較短的水波或地面粗糙做出反應(yīng)。一個(gè)仿真模型必須捕捉裙擺對整個(gè)船體的動(dòng)力學(xué)影響，特別是如果該模型將用于評估不同競品的裙擺設(shè)計(jì)。

圖1 美國海軍登陸艇氣墊(LCAC)載具

全裙式氣墊船的重量由氣墊容積內(nèi)包含的高壓空氣支撐?？諝庥梢惶状笕萘侩x心鼓風(fēng)機(jī)提供。一般情況下，空氣從風(fēng)扇流向靜壓室，通過送氣孔進(jìn)入氣囊，最后進(jìn)入氣墊，如圖3所示。在某些配置中，空氣也直接供給到氣墊中，如果存在，橫向或縱向隔斷將氣墊分成多個(gè)隔間。在氣墊中的平衡壓力是一個(gè)關(guān)于船體重量和它在自由表面的軌跡的函數(shù)。對于與LCAC尺寸相同的全尺寸ACV，緩沖壓力大約為4～5kpa，大約比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓大5%。袋子內(nèi)的壓力大約比緩沖壓力大20～35%，由送氣孔的面積決定。通過內(nèi)袋的壓降是ACV的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)樗绊懙秸麄€(gè)系統(tǒng)的性能，例如對升力風(fēng)扇的功率要求，以及裙擺的膨脹。作為正在進(jìn)行的ACVSIM仿真模型開發(fā)的一部分，我們正在研究通過氣墊供氣系統(tǒng)的非定常流，特別是在送氣孔中的非定常流，對載具動(dòng)力學(xué)的重要性。

圖2 典型的包指裙的橫截面

圖3 由升降機(jī)風(fēng)扇供應(yīng)的空氣進(jìn)入氣墊的典型流動(dòng)路徑。

流量由提升風(fēng)扇以Qi速率和壓力Hf提供，進(jìn)入一個(gè)靜壓箱，進(jìn)入袋子，通過進(jìn)料孔進(jìn)入手指，然后進(jìn)入氣墊。

1.2 ACVSIM仿真模型概述

ACVSIM計(jì)算模型被開發(fā)用來模擬在海上運(yùn)行的ACV的動(dòng)力學(xué)(Milewski等，2007)。圖4所示的時(shí)域數(shù)值模型中有三個(gè)主要的物理學(xué)科。包括波場的流體動(dòng)力學(xué)、氣墊系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和裙擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)使用基于樣條的時(shí)域Rankine面板方法對波浪動(dòng)力學(xué)建模，該方法基于現(xiàn)有的稱為AEGIR的耐波性代碼（Kring等，2004）。墊壓力被添加到自由表面邊界條件，以解決輻射和衍射波型。這些波改變了通過墊子的體積和氣流，并且可能使裙部偏轉(zhuǎn)。ACVSIM具有一系列可以應(yīng)用的線性到完全非線性的自由表面條件。當(dāng)前的工作主要是應(yīng)用線性輻射和衍射公式。

墊子中的空氣表示為可壓縮流體。船體動(dòng)力學(xué)和波流通過空氣體積耦合，空氣體積充當(dāng)動(dòng)態(tài)彈簧，將載具支撐在自由表面上方。代碼中已實(shí)現(xiàn)了多種保真度不同的氣墊模型，并且正在接受驗(yàn)證。下一節(jié)介紹了每個(gè)模型的簡要說明。圖4所示的特定模型基于使用浸沒邊界法（IBM）的三維波動(dòng)方程的解（Mittal和Iaccarino，2005）。該方法求解了慣性坐標(biāo)系中，以平均慣性速度平移的規(guī)則固定網(wǎng)格上的場方程，是解決邊界移動(dòng)和變形問題的理想選擇。

ACVSIM還包括用于裙邊結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的模型?，F(xiàn)代裙體系統(tǒng)的順應(yīng)性可以極大地改變氣墊的封閉體積和船體占地面積，影響系統(tǒng)共振和恢復(fù)力矩（Pollack等，2007）。

這三個(gè)物理模型都受到ACV幾何形狀和波場的強(qiáng)烈影響。內(nèi)部使用非均勻有理Bspline曲面（NURBS）來表示船體，裙邊和自由曲面的幾何形狀，從而可以對氣墊體積，ACV軌跡和力積分進(jìn)行非線性處理。

圖4：示意圖給出了ACVSIM中的主要物理模型

1.3 NSWCCD拖船測試概述

作為由美國海軍研究辦公室資助的高級圍裙發(fā)展計(jì)劃的一部分，NSWCCD于2007年秋季完成了帶有基線深裙的1/12th比例模型的水槽試驗(yàn)。深裙是由Band，Lavis＆Associates（現(xiàn)為CDI Marine）在1990年代設(shè)計(jì)的，以代替原始的LCAC圍裙（Forstell，1997）。深裙設(shè)計(jì)的主要特征包括：2.13m全尺寸深度；橫向密封，將氣墊分為前后隔間；雙氣泡袋和沿氣墊的兩側(cè)延伸的內(nèi)指。

采用弗勞德標(biāo)度法確定了速度、波頻和主要物理模型的尺寸。然而，一些流體和結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和尺寸不能一致地縮放，這對ACV模型的動(dòng)力學(xué)有影響。特別是，由于大氣壓力是恒定的，因此氣墊中的總壓力不能被一致地縮放，從而影響空腔的諧振頻率。裙擺材料的質(zhì)量和剛度的比例也不一致，導(dǎo)致模型尺寸的裙擺比預(yù)期的硬度高出一個(gè)數(shù)量級。最后，雖然整個(gè)送料孔的面積比例正確，但在模型裙部使用的送料孔較少。這可能會影響氣墊供氣系統(tǒng)中非定常流的阻尼。

測試程序包括傾斜試驗(yàn)以確定俯仰和側(cè)傾剛度。振蕩（自由衰減）在水面上進(jìn)行；平靜的水流；定期波浪運(yùn)行；以及，在海況2-5中傳播不規(guī)則波浪。記錄每次運(yùn)行時(shí)氣墊供氣系統(tǒng)中的升沉，滾動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)，力和力矩，加速度和壓力的時(shí)間歷史。還記錄了有浪運(yùn)行的入射波高程。對于行程的子集，使用新型光波檢測系統(tǒng)在墊子內(nèi)測量自由表面的高度。

2 簡化的ACV動(dòng)力學(xué)模型

自由表面，供氣系統(tǒng)和裙板之間的相互作用及其對ACV動(dòng)力學(xué)的影響非常復(fù)雜。在考慮對ACV進(jìn)行全面模擬之前，我們首先使用等效的質(zhì)量-彈簧-阻尼集總參數(shù)模型來檢查ACV的升沉響應(yīng)。降階模型對于解釋來自仿真和模型測試的數(shù)據(jù)特別有用。

首先，考慮將ACV懸停在剛性邊界上。可以通過使用載具質(zhì)量和彈簧常數(shù)的單自由度（DOF）系統(tǒng)對升沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，該彈簧常數(shù)是通過將墊子中的空氣視為絕熱的可壓縮流體來估算的。該系統(tǒng)的固有頻率是氣墊的最低階腔模式。接下來，考慮在自由表面上運(yùn)行的ACV。升沉響應(yīng)可以建模為兩個(gè)自由度系統(tǒng)。其中一種模式與氣墊相關(guān)。第二個(gè)與升沉運(yùn)動(dòng)有關(guān)的波浪產(chǎn)生。圖5顯示了自由表面上ACV的兩個(gè)DOF模型的示意圖。這是Milewski等人提出的模型的擴(kuò)展。（2007）。以前，該系統(tǒng)被近似為單自由度來評估ACV的升沉的造波固有頻率。船體和附加質(zhì)量合并為一個(gè)質(zhì)量，并且彈簧常數(shù)基于氣墊占地面積的線性靜液壓恢復(fù)。在當(dāng)前的預(yù)測中，船體質(zhì)量MV基于LCAC的設(shè)計(jì)重量，附加質(zhì)量Ma基于淺吃水矩形駁船的無限頻率附加質(zhì)量。氣墊的彈簧常數(shù)為：

氣墊的絕對壓力

h0是氣墊的高度，g是重力常數(shù)，γ是比熱的比率，Afp是氣墊在表面上的覆蓋面積。

除非氣墊彈簧常數(shù)不變，否則大氣壓力Patm的存在會使模型難以始終如一地按比例縮放氣墊動(dòng)力學(xué)，除非在可以降低環(huán)境壓力的特殊設(shè)施中進(jìn)行測試。

圖5 自由表面上起伏ACV的兩個(gè)自由度集總參數(shù)模型的示意圖。

Afp是從LCAC的高保真CAD模型估算出來的，該模型用于我們的數(shù)值模擬中。自由表面的彈簧常數(shù)由下式給出：

兩個(gè)自由度集總參數(shù)模型的耦合二階方程組（Den Hartog，1985）為：

字母上的點(diǎn)代表相對于時(shí)間的差異。

（未完待續(xù)）