海流-海浪耦合作用下深海上浮平台出水运动特性分析

海流-海浪耦合作用下深海上浮平台出水运动特性分析

芦廷彬1，张,斌1，魏照宇2

1. 中国船舶集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003
2. 2. 上海交通大学 海洋学院，上海 200240

摘要：深海上浮平台依靠自身的浮力实现上浮，出水过程受到复杂海况影响，平台姿态发射偏移对内部载荷发射安全性产生影响。针对此问题，本文基于深海上浮平台水动力性能与水下航行器六自由度运动仿真数学模型求解平台上浮弹道，并综合多相流模型与重叠网格技术，对海流与海浪耦合影响作用下平台三维动态出水过程进行仿真分析，由计算结果可知，6级海况及2kn流作用下平台姿态角偏转小于10°，可满足载荷发射要求。

关键词：深海上浮平台；无动力上浮；出水过程；海流-海浪耦合干扰；VOF方法

0引言

随着对海洋开发利用的不断深入，世界各国均加快对海洋资源争夺的步伐，可满足深海长期使用，快速上浮至水面并发射具备侦察、探测、通信、打击等各类功能的任务载荷的深海无人系统逐渐成为各国学者的研究热点[1-3]。

目前，国内对任务载荷水下发射过程运动分析主要集中在传统大型潜艇平台发射时弹道特性及发射内弹道安全性等方面，刘曜等[4]对运载器在大深度发射情况下的控制方案及水中运行弹道进行了数学仿真研究，结合SIMULINK模块分析了运载器在近水面处的稳定性；刘传龙等[5]对导弹发射过程中弹道、载荷及流场的扰动及变化进行分析。

与有动力上浮平台相比，深海上浮平台依靠自身的浮力实现上浮出水，可进一步增强动作隐蔽性，但上浮姿态也更容易受到海流与海浪扰动影响，对任务载荷的发射安全性产生影响，为确保上浮平台和载荷成功分离，对平台出水过程姿态角提出更高要求。针对这一问题，部分文献[6-7]对小型水下运载器上浮导弹发射过程扰动进行了分析，但未考虑发射过程中水面海况影响。

本文基于深海上浮平台流体动力特性计算结果[8]，分析海流扰动下平台上浮弹道，并将逐渐趋于稳定收敛的上浮速度、上浮姿态特性作为海面波浪状态影响下的出水过程分析初值。基于STAR-CCM+计算平台，综合多相流模型、重叠网格技术、VOF液面追踪技术等，建立了海流与海流耦合影响下上浮平台出水过程分析模型，对平台出水过程进行三维非定常数值模拟，可为后续水面发射安全性技术研究提供有价值参考。

1深海上浮平台流体动力特性

深海上浮平台采用低阻流线外形设计，具有深海快速稳定上浮特性。本文深海上浮平台线型设计与文献[8]一致，计算方法简略，部分主要计算结果如下。

图1直航上浮速度场分布

图2斜航速度场及流线分布(α=5°)

图3阻力系数随攻角变化曲线

图4升力系数随攻角变化曲线

图5俯仰力矩系数随攻角变化曲线

2平台上浮运动弹道分析

由于海况主要描述海面波浪状态，对深海上浮阶段的平台运动特性影响可忽略。因此，首先通过六自由度水下航行器运动数学模型[9-10]，预估海流影响下的平台上浮速度、运动姿态等弹道特征参数，并将其稳态收敛值作为海流-海浪耦合作用下出水特性分析初值。

图6坐标系示意图

为方便建立平台运动学与动力学模型，引入图6中体坐标系与速度坐标系，同时引入下面的一系列运动参数，包括地面坐标系中平台浮心位置矢量与平台姿态角共同组成的广义位置参数、由体坐标系下平台浮心速度矢量与角速度共同组成的广义速度参数、由体坐标系下平台所受的力与力矩组成的广义力参数。

平台的运动学方程为：

          (1)

           (2)

            (3)

平台的动力学方程为：

(4)

其中，Amλ为广义惯性矩阵，Avw为速度矩阵，其表达式为：

(5)

    (6)

对2kn海流作用下平台上浮弹道进行分析，平台上浮至水面俯仰角约91.2°，接近水面后基本保持为稳定状态，后续出水过程计算流体力学仿真中可作为仿真初始值。

图7上浮平台俯仰角变化情况(2kn海流)

图8上浮平台俯仰角变化情况(2kn海流)

3复杂海况下出水运动时域计算模型

3.1计算模型

采用VOF方法对自由液面波动的模拟，选取可压缩相为主相，提高计算稳定性。激活欧拉多相模型，并使用重力模型将空气-海水两种流体受到的重力作用纳入考虑之中选择 SST k-ω模型模拟湍流对流体的影响。

本论文涉及的计算模型流动复杂激烈，网格生成质量对计算结果较大，采用多域加重叠网格的方法，即背景域、平台域、弹域重叠计算。上浮平台周围和运动路径须进行局部网格加密，同时在液面处进行局部网格加密以捕捉自由液面。

背景区域网格细化通过体积控制方法实现，为充分捕获上浮平台周围的水流体，须在自由表面界面周围划分充分精细网格，将数字扩散引起的拖尾效应降低到最小。

采用谱分析方法描述波浪作用，将波浪的能量表示为波浪频率、波浪方向等变量的函数，并以此来估计波浪的特性。本文采用JONSWAP谱描述波浪的频率特性，其谱密度可以表示为：

    (7)

式中：为无因次常数，通常根据有义波高确定；为谱峰频率；

为谱峰升高因子；为峰形参数。

3.2计算域设置及重叠网格划分

选取计算域为长30m、宽15m、高55m的长方体，具体如下图所示。

图9计算域设置

网格划分采用STARCCM软件生成，生成切割体体网格。

图10网格加密情况

计算条件设置情况如下：

（1）计算介质：海水密度1023 kg/m3，动力粘度1.104×10-3 Pa-s，空气密度1.18 kg/m3，动力粘度1.85×10-5 Pa-s；

（2）边界条件：出口为压力出口0Pa，参考压强为1个大气压，其它除对称面外，都设置为速度入口；

（3）初始条件：上浮速度与上浮姿态采用上浮运动弹道稳态值。

3.3计算结果分析

利用STAR-CCM+软件进行计算，深海上浮平台初始俯仰角1.4°，攻角0.15°，上浮速度7.5m/s，初始深度距离水面15m。

不考虑海流作用下，深海平台在正浮力作用下基本符合匀速上浮规律，姿态偏离稳态值了忽略不计，计算结果如下图所示，进一步验证台上浮运动弹道分析收敛结果，排除平台自身稳定性导致姿态变化因素，可确保后续计算中产生的姿态偏移量为出水过程海流-海流耦合干扰导致。

图11无海浪条件下平台上浮出水过程

图12无海浪条件下平台上浮出水过程姿态偏离稳态变化

按照JONSWAP海浪谱设定谱型参数，6级海况，谱峰因子γ=3.3，有义波高取H1/3=3.5m，特征周期取T1=15.5s，海流u=2kn典型条件下，海流与海浪耦合干扰下上浮平台运动特性如下。

图13海浪-海流耦合干扰下平台上浮出水过程

图14海浪-海流耦合干扰下浮出水过程姿态偏离稳态变化

由计算结果可知，平台上浮出水过程中，受海浪与海流耦合扰动，姿态偏离上浮稳态值约8.4°，平台极限姿态角偏离竖直状态小于10°，可满足后续任务载荷发射稳定性要求。

4结论

本文对深海平台无动力上浮出水过程中受到海流与海流影响下姿态偏移问题，通过计算流体力学方法建立复杂海况下出水运动时域计算模型，对6级海况、2kn海流极限海况条件下运动特性进行计算，结果显示平台上浮运动中倾斜角变动较为剧烈，姿态偏离竖直状态10°以内，可为后续水面发射安全性技术研究提供有价值参考。

参考文献：

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