楊壯滔, 張 鎮(zhèn), 何文生, 邵永勇, 趙榮華, 馬滇濱

水下無人平臺動態(tài)布放UUV過程水動力特性

楊壯滔, 張 鎮(zhèn), 何文生, 邵永勇, 趙榮華, 馬滇濱

(中國船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650118)

無人水下航行器; 動態(tài)布放; 雙體分離; 重疊網(wǎng)格; 多參考系模型; 水動力特性

0 引言

無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)一般由潛艇和水面船只攜帶抵達(dá)作戰(zhàn)海域[1]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)如自航式無人平臺以其造價低廉、隱蔽性強(qiáng)、避免人員傷亡、潛伏時間長等諸多優(yōu)點(diǎn)被越來越多的采用[2-3]。自航式水下無人平臺尺寸較潛艇小且能源有限, 多采用UUV自航布放方式[4], 而UUV自航發(fā)射分離階段航速慢, 在無人平臺動態(tài)布放時易受平臺航行的干擾, 甚至使UUV在分離階段失控, 因此亟需對水下無人平臺動態(tài)布放UUV過程水動力特性開展研究。

目前計(jì)算流體動力學(xué)(computational fluid dy- namics, CFD)仿真是單體UUV水動力參數(shù)預(yù)報方法之一, 但針對基于CFD的雙體分離水動力參數(shù)預(yù)報方法研究較少, 且使用模型試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)。對于雙體分離的研究, 多使用動網(wǎng)格方法, 如: Huang等[5]使用數(shù)值方法研究動態(tài)分離; 李湘平等[6]使用動網(wǎng)格法研究了彈托分離; 楊磊[7]使用動網(wǎng)格法研究了航天器空中分離。然而, 使用動網(wǎng)格法對分離過程仿真僅能得到單一固定姿態(tài)所受的流體力和彈道信息, 無法直接提取UUV的各項(xiàng)水動力參數(shù)。文中基于CFD方法, 使用重疊網(wǎng)格并結(jié)合多參考系(multi-reference frame, MRF)模型, 建立了一種適用于研究動態(tài)布放與雙體分離的數(shù)值水池, 對水下無人平臺動態(tài)布放UUV過程水動力特性開展研究, 可為UUV布放過程與控制策略設(shè)計(jì)提供參考。

1 建模與仿真

1.1 計(jì)算方程

對于不可壓非定常粘性流體, 雷諾平均法(Reynolds average Navier-Stockes, RANS)是工程上常用的CFD方法之一。其中, 空間離散采用有限體積法, 時間推進(jìn)采用雙時間法。該方法的連續(xù)性方程和動量方程可寫為

1.2 MRF模型

在實(shí)際布放與分離過程中, 自航式無人平臺與UUV之間存在相對運(yùn)動, 二者的相對位置隨時間變化, 自航式平臺對UUV的干擾也隨時間變化, 理論上是一個非定常問題。對此非定常問題進(jìn)行簡化, 取二者分離過程中某一時刻作為研究對象, 將任一時刻的非定常流場假設(shè)為定常進(jìn)行計(jì)算, 近似于獲得流動的“快照(snapshot)”[9]解, MRF模型正是基于這種方法。目前, MRF多用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械仿真領(lǐng)域, 雖然無法得到流體動力參數(shù)時歷值, 但能夠得到流體動力參數(shù)平均值, 更利于流體動力無量綱導(dǎo)數(shù)工程化求解[10-11]。

MRF模型將計(jì)算域劃分為不同子域, 并在子域內(nèi)建立與背景域不同的參考系。針對動態(tài)布放與雙體分離問題, 在計(jì)算域中劃分一個子域?qū)⑵渲幸粋€分離模型完全包絡(luò), 如圖1所示, 并在該子域中建立與分離模型運(yùn)動完全一致的坐標(biāo)系, 即可將相對運(yùn)動轉(zhuǎn)化為靜態(tài)計(jì)算。另一個分離體位于背景域內(nèi), 兩域之間交接用交界面連接, 用于數(shù)據(jù)傳遞。

圖1 多域示意圖

將整個計(jì)算域劃分為背景域和子域2個計(jì)算域, 其中自航式平臺位于背景域中, 其外圍邊界為速度入口和壓力出口; UUV位于子域中。設(shè)置子域網(wǎng)格為重疊網(wǎng)格, 如圖2所示, 計(jì)算時UUV所在重疊網(wǎng)格與自航式平臺所在背景網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)值差分。在UUV子域建立運(yùn)動坐標(biāo)系, 在此坐標(biāo)系中, 網(wǎng)格在計(jì)算時保持靜止, 即可將自航式平臺和UUV的相對運(yùn)動轉(zhuǎn)化為靜態(tài)計(jì)算?？紤]了求解旋轉(zhuǎn)力時的哥氏力和離心力后進(jìn)行定常計(jì)算[12]。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

運(yùn)動坐標(biāo)系下的動量方程為

通過上述理論, 建立一種適用于研究自航式平臺動態(tài)布放UUV的數(shù)值水池, 以求解分離過程中任意時刻UUV的水動力參數(shù)。

2 典型算例驗(yàn)證

選用某型單體UUV作為典型模型, 使用文中建立的仿真方法求解該模型水動力參數(shù), 并與其模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比, 以驗(yàn)證其求解精度。

2.1 計(jì)算域及邊界處理

2.2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對比

對典型模型無動力狀態(tài)下的位置力、旋轉(zhuǎn)力和舵力開展仿真計(jì)算, 并求解相關(guān)無量綱導(dǎo)數(shù)。仿真模型長為4 m, 計(jì)算域長、寬和高分別為20 m、4 m和4 m, 網(wǎng)格數(shù)量為890萬, 最小網(wǎng)格尺度為1 mm。在計(jì)算時對典型模型所受流體動力和對浮心力矩進(jìn)行監(jiān)測。試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c計(jì)算模型同尺寸, 通過風(fēng)洞試驗(yàn)測量模型位置力和舵力, 通過懸臂水池試驗(yàn)求解模型旋轉(zhuǎn)力, 并求解相關(guān)無量綱導(dǎo)數(shù)。

圖3 典型算例驗(yàn)證壓力分布

2.2.1 位置力

求解位置力, 分別計(jì)算模型航速為6 m/s且縱傾角=2o～10o時所受升力和升力對浮心產(chǎn)生力矩M, 通過數(shù)據(jù)處理, 得出相應(yīng)的升力系數(shù)C和力矩系數(shù)m。不同縱傾角下典型模型的升力系數(shù)C和力矩系數(shù)m的對比如圖4和圖5所示。

圖4 位置力系數(shù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖5 位置力矩系數(shù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

仿真與試驗(yàn)結(jié)果較為接近。具體計(jì)算誤差見表1, 不同縱傾角下2項(xiàng)系數(shù)計(jì)算誤差均小于8%。

表1 位置力系數(shù)與力矩系數(shù)誤差仿真結(jié)果

2.2.2 旋轉(zhuǎn)力

求解旋轉(zhuǎn)力, 設(shè)置典型模型繞軸旋轉(zhuǎn), 分別計(jì)算旋轉(zhuǎn)力F和旋轉(zhuǎn)力對浮心的力矩M, 速度系數(shù)對應(yīng)的角速度和回轉(zhuǎn)半徑如表2所示。經(jīng)計(jì)算不同角速度系數(shù)下典型模型受到旋轉(zhuǎn)力系數(shù)C和旋轉(zhuǎn)力矩系數(shù)m對比如圖6和圖7所示。

表2 角速度系數(shù)相關(guān)參數(shù)

圖6 旋轉(zhuǎn)力系數(shù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖7 旋轉(zhuǎn)力矩系數(shù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

仿真與試驗(yàn)結(jié)果較為接近, 具體計(jì)算誤差如表3所示, 不同角速度系數(shù)(角速度與回轉(zhuǎn)半徑相關(guān))下2項(xiàng)系數(shù)計(jì)算誤差均小于6%。

表3 旋轉(zhuǎn)力系數(shù)與力矩系數(shù)誤差仿真結(jié)果

2.2.3 操舵力矩

圖8 操舵力矩系數(shù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

仿真與試驗(yàn)結(jié)果較為接近, 具體計(jì)算誤差如表4所示, 不同舵角下操舵力矩系數(shù)計(jì)算誤差均小于6%。

表4 操舵力矩系數(shù)誤差仿真結(jié)果

3 工程實(shí)例

使用文中建立的數(shù)值水池求解UUV分離時水動力參數(shù), 與自由狀態(tài)水動力參數(shù)進(jìn)行對比, 定性分析平臺對UUV的干擾形式, 并定量分析受干擾程度, 為分離過程設(shè)計(jì)和控制策略設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

3.1 計(jì)算域及邊界處理

為動態(tài)仿真布放分離, 使用所建立的數(shù)值水池, 自航式水下無人平臺位于背景域中, 假設(shè)布放時平臺只作向前勻速直線運(yùn)動, 設(shè)置自航式平臺航速邊界條件僅需通過背景域速度邊界設(shè)置。平臺布放的UUV位于建立了運(yùn)動坐標(biāo)系的子域內(nèi), 通過在運(yùn)動坐標(biāo)輸入相對背景域坐標(biāo)的相對速度賦予布放UUV的速度邊界。計(jì)算網(wǎng)格如圖9所示。

圖9 工程實(shí)例計(jì)算網(wǎng)格

3.2 布放分離與自由狀態(tài)對比分析

在上述工況下, 針對UUV布放分離時位置力、旋轉(zhuǎn)力和舵力開展仿真計(jì)算, 在計(jì)算時對UUV模型所受流體動力和浮心力矩進(jìn)行監(jiān)測, 當(dāng)連續(xù)性殘差曲線趨于穩(wěn)定且小于1×104, 監(jiān)視力、力矩趨于穩(wěn)定且波動小于1%時, 判定計(jì)算收斂, 取滿足條件的力和力矩的平均值作為數(shù)值計(jì)算結(jié)果。布放狀態(tài)壓力分布如圖10所示, 自由狀態(tài)壓力分布如圖11所示。

圖10 布放狀態(tài)壓力分布

圖11 自由狀態(tài)壓力分布

3.2.1 位置力

圖12 布放與自由狀態(tài)下位置力系數(shù)曲線

圖13 布放與自由狀態(tài)下位置力矩系數(shù)曲線

布放分離時UUV升力系數(shù)C絕對值大小和俯仰力矩系數(shù)m絕對值大小均小于自由狀態(tài), 具體誤差如表5所示。

3.2.2 旋轉(zhuǎn)力

求解旋轉(zhuǎn)力, 設(shè)置典型模型繞軸旋轉(zhuǎn), 分別計(jì)算旋轉(zhuǎn)力和旋轉(zhuǎn)力對浮心的力矩, 速度系數(shù)對應(yīng)的角速度和回轉(zhuǎn)半徑見表6。經(jīng)計(jì)算, 不同角速度系數(shù)下典型模型受到旋轉(zhuǎn)力系數(shù)和旋轉(zhuǎn)力矩系數(shù)對比分別如圖14和圖15所示。

表5 布放與自由狀態(tài)位置力系數(shù)與力矩系數(shù)誤差

表6 角速度系數(shù)相關(guān)參數(shù)

圖14 布放與自由狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)力系數(shù)曲線

圖15 布放與自由狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)力矩系數(shù)曲線

布放分離時UUV旋轉(zhuǎn)力系數(shù)C大于自由狀態(tài), 俯仰力矩系數(shù)m與自由狀態(tài)相差較小, 如表7所示。

表7 布放與自由狀態(tài)旋轉(zhuǎn)力系數(shù)與力矩系數(shù)誤差

3.2.3 操舵力矩

求解操舵力矩, 分別設(shè)置UUV執(zhí)行水平舵操舵指令, 計(jì)算操舵舵角為–20°～20°時水平舵受到力和水平舵對浮心產(chǎn)生的操舵力矩。通過數(shù)據(jù)處理, 得出相應(yīng)的操舵力矩系數(shù)對比, 如圖16所示。

圖16 布放與自由狀態(tài)下操舵力矩系數(shù)曲線

布放分離時, UUV操舵力矩系數(shù)與自由狀態(tài)相差較小, 如表8所示。

表8 布放與自由狀態(tài)操舵力矩系數(shù)誤差

4 結(jié)論

文中研究可為自航式載體動態(tài)布放UUV的過程設(shè)計(jì)和控制策略設(shè)計(jì)提供參考。

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Hydrodynamic Characteristics of UUV during Dynamic Deployment Process of Underwater Unmanned Platform

YANG Zhuang-tao, ZHANG Zhen, HE Wen-sheng, SHAO Yong-yong, ZHAO Rong-hua, MA Dian-bin

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Kunming 650118, China)

unmanned undersea vehicle(UUV); dynamic deployment; catamaran separation; overlapping grid; multi-reference frame(MRF); hydrodynamic characteristic

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TJ630; TB71.2

A

2096-3920(2022)01-0115-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.015

2016-11-19;

2016-12-18.

楊壯滔(1993-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)樗斜骺傮w設(shè)計(jì)

(責(zé)任編輯: 楊力軍)