機載布放式AUV入水沖擊仿真研究

齊 鐸，馮金富，余宗金，李永利

（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038）

機載布放式AUV入水沖擊仿真研究

齊 鐸，馮金富，余宗金，李永利

（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038）

機載布放式AUV是利用載機運送至特定海域上空，在一定條件下通過空投方式進(jìn)入水下，完成預(yù)定工作的自主水下航行器。AUV入水時會受到巨大的載荷沖擊，嚴(yán)重時會導(dǎo)致機體折斷、元器件失靈，甚至引起彈道失控。為此，文章采用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對機載布放式AUV的入水沖擊問題進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。對不同入水速度、不同入水角度下AUV受力過程進(jìn)行了計算，得出了不同入水條件下的速度響應(yīng)曲線和壓力響應(yīng)曲線，可為機載布放式AUV的機體結(jié)構(gòu)設(shè)計和投放條件研究提供參考。

出水運動；動力學(xué)模型；理論模型求解

0 引 言

2014年4月14日，負(fù)責(zé)搜索馬航MH370航班的聯(lián)合協(xié)調(diào)中心宣布暫停澳大利亞海軍 “海洋之盾”號補給艦使用拖曳聲波定位儀的搜尋作用，轉(zhuǎn)而使用美國海軍最先進(jìn)的“藍(lán)鰭金槍魚-21”自主式水下航行器完成接下來一段時間內(nèi)的搜尋任務(wù)。自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV）具有活動范圍廣、機動性好、安全性強、智能化程度高等優(yōu)點，是重要的海洋勘探工具。

目前，多數(shù)AUV依靠潛艇和水面船只完成水下布放，整個任務(wù)包括三個主要流程：裝入母船、母船航渡、實施機械布放。限于母船的航行速度和機械操作周期，通過此種方式實施遠(yuǎn)距離特定海域的AUV布放通常需要數(shù)日時間。隨著海洋監(jiān)測范圍和深度的不斷擴(kuò)大，對AUV的遠(yuǎn)距離快速布放提出了更高的要求，利用載機在特定海域內(nèi)對AUV實施空投布放是實現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑之一。

機載布放式AUV入水過程中會受到較大的沖擊力，嚴(yán)重時導(dǎo)致機體結(jié)構(gòu)損壞、元器件失靈等后果。入水沖擊問題是研究多相耦合作用的熱點，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，閆發(fā)鎖等[1]通過理論和試驗對比研究了圓球傾斜入水沖擊壓力的性質(zhì)，解釋了沖擊壓力的振蕩現(xiàn)象。Aristoff等[2]研究了低邦德數(shù)下鋼制小球入水空泡形成和發(fā)展的規(guī)律。王永虎等[3]基于勢流理論建立了空投魚雷斜入水沖擊模型，采用精確形體法對魚雷斜入水的動態(tài)行為進(jìn)行分析。Mei Xiaoming等[4]設(shè)計了一種新的研究二維物體入水沖擊的方法，擴(kuò)展了Wagner法的適用范圍。劉雨等[5]對子彈垂直姿態(tài)入水過程進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，得出了不同速度下的沖擊過載響應(yīng)。

機載布放式AUV由傳統(tǒng)AUV加裝翔翼裝置改裝而成，分為載體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、任務(wù)載荷等部分，入水過程和常見的空投魚雷入水基本相同，但入水條件更加嚴(yán)苛。AUV機體內(nèi)安放了大量的電子元件和精密器件，滿足長期潛于水下，能夠回收和反復(fù)使用等基本要求。與主要遂行單次攻擊任務(wù)的魚雷相比，對應(yīng)力反應(yīng)更加敏感。實際情況中，應(yīng)進(jìn)一步減小機載布放式AUV的入水沖擊，從而保護(hù)機體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的功能部件。

本文以REMUS100型水下航行器為研究對象，基于成熟的商用計算流體力學(xué)軟件CFX，利用動網(wǎng)格技術(shù)和UDF方法模擬了AUV入水的全過程。得出了幾種典型入水速度、入水角度條件下AUV的速度變化、壓力變化和載荷峰值等變化規(guī)律，為機載布放式AUV的機體結(jié)構(gòu)設(shè)計和投放條件研究提供參考。

1 機載布放式AUV物理模型

研究對象選擇美國伍茲霍爾海洋研究所設(shè)計的REMUS 100水下航行器，它具有先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測、水下測繪和海洋搜救功能。

本文主要研究AUV從頭部接觸水面到機體完全浸沒水中這一過程的入水沖擊等問題。為了提高計算效率，在不影響仿真結(jié)果的前提下，對REMUS物理模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化，省去尾部螺旋槳和鰭舵等附著結(jié)構(gòu)，簡化后的模型簡圖及部分參數(shù)見圖1與表1。

表1 REMUS 100水下航行器部分物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of REMUS 100

圖1 REMUS 100水下航行器簡化結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simplified model diagram of REMUS 100

2 仿真環(huán)境

2.1 控制方程

控制方程主要包括連續(xù)性方程和雷諾平均N-S方程[6]：

式中：ui、uj、p為時均量為雷諾應(yīng)力項；ρ、μ分別為密度和流體動力粘性系數(shù)。

2.2 湍流模型

常見的湍流模型有k-ε、k-ω和SST模型。準(zhǔn)備工作中，分別使用上述三種湍流模型在Ma=0.73，Re=6.5×106，α=3.19°的仿真條件下，計算RAE2822翼型的氣動系數(shù)，并與文獻(xiàn)[7]中的風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果如表2所示。

表2 RAE2822翼型氣動系數(shù)計算值與試驗值的對比Tab.2 Experiment results(er)and simulation results(sr)of aerodynamic coefficients

由表2可見，k-ε、k-ω和SST三種湍流模型中，SST模型的計算誤差最小，升力系數(shù)誤差3.4%、阻力系數(shù)誤差偏9.2%、俯仰力矩系數(shù)誤差11.9%，因此選擇SST模型為計算湍流模型。

2.3 邊界條件及求解參數(shù)

計算域選用半徑為15 m的圓形區(qū)域，計算域介質(zhì)為海水，ρ=1.024 kg/m3，μ=1.002 kPa·s，計算域如圖2所示。

假設(shè)AUV入水過程中不會受到外界風(fēng)浪的擾動，選擇既可作為入口，又可作為出口的Opening定義其外部運動環(huán)境。Opening的湍流強度為中等強度，同時采用Step函數(shù)定義不同坐標(biāo)值下空氣和水的體積分?jǐn)?shù)，函數(shù)定義見下式。Symmetry用于定義計算域的前后兩個對稱面。AUV的表面定義為無滑移壁面。收斂標(biāo)準(zhǔn)為最大殘差小于1×10-5，為了提高精度，計算采用二階向后歐拉瞬態(tài)差分格式。

圖2 仿真計算域Fig.2 The computational domain

2.4 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS ICEM網(wǎng)格生成軟件將計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)面沿法向拉伸而成的三棱柱網(wǎng)格?？紤]到AUV的軸對稱特性和非定常動網(wǎng)格的計算量問題，本文將三維六自由度入水問題簡化為二維三自由度問題。由于AUV周圍區(qū)域與入水速度方向流場變化最為劇烈，因此對這些網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行了局部加密，以降低數(shù)值誤差，提高收斂速度。網(wǎng)格數(shù)量約為9萬，整體質(zhì)量在0.45以上。

2.5 仿真條件

選擇三種典型的的入水速度和入水角度進(jìn)行數(shù)值仿真實驗。機載布放式AUV與水面的夾角分別為45°、60°和90°，入水速度分別為30 m/s、50 m/s和80 m/s，共計九種不同的仿真條件。在數(shù)值仿真中做以下假設(shè)：

（1）AUV為剛性體；

圖3 計算域網(wǎng)格劃分Fig.3 The mesh generation of computational domain

（2）水不可壓縮；

（3）入水起始瞬間AUV攻角為零。

3 仿真結(jié)果及分析

圖4 AUV入水過程示意圖（入水速度為30 m/s，入水角度為60°）Fig.4 Diagram of AUV entering water

圖4給出入水角為60°，入水速度為30 m/s條件下AUV的入水過程，從圖中可以看出，整個過程較好地反映了機體高速入水時常見的液面隆起、噴濺、空泡等現(xiàn)象。

圖5（a）-（c）顯示了AUV在不同條件下入水的速度變化，從圖中可以看出，初始仿真時刻AUV與水面存在一定的距離（設(shè)置初始高度為2 m），在重力的作用下，AUV存在速度增大的過程。但由于距離很小，增速效果并不明顯。AUV頭部接觸到水面以后，受到阻力的作用，運動速度開始減小。而且隨著入水深度的增加，速度還會持續(xù)減小。不同的入水角度條件下，入水速度的變化趨勢是一致的。此外，入水速度越大，速度的減少量越多。以AUV在45°入水為例，機體完全浸沒后30 m/s、50 m/s和90 m/s的入水初始速度分別減少了7 m/s、10 m/s和13 m/s。

圖5 不同入水條件下的速度變化Fig.5 The velocity changes in different water entry conditions

圖6 不同入水條件下的軸向力變化規(guī)律Fig.6 The axial force changes in different water entry conditions

圖7 不同入水條件下的徑向力變化規(guī)律Fig.7 The radial force changes in different water entry conditions

圖6和圖7顯示了AUV在不同條件下入水受到的沖擊載荷，其中6（a）-（c）為不同入水角下的AUV軸向受力變化規(guī)律，7（a）-（c）為不同入水角下的AUV徑向受力變化規(guī)律。從圖6可以看出，AUV入水初期，機體受到的沖擊載荷急劇增加，而且這些載荷主要作用于AUV的頭部。隨著入水深度增加，沖擊力會逐漸減小并趨于穩(wěn)定。從圖7可以看出，AUV所受的徑向作用力隨著入水角度的增大而減小，如果AUV以小角度入水，需考慮入水沖擊力對AUV的徑向作用力及其引起的彎矩。同時應(yīng)該注意的是，如果入水角度太小，可能會導(dǎo)致入水姿態(tài)不穩(wěn)定，甚至發(fā)生“跳彈”現(xiàn)象。

AUV頭部放置了大量的傳感器和精密元件，在入水過程中，頭部主要受到軸向載荷的沖擊作用，圖8顯示了AUV在不同條件下入水受到的軸向沖擊載荷峰值。相同入水角度條件下，入水速度越大，受到的沖擊載荷就越大，如當(dāng)入水角度為90°時，AUV以80 m/s的速度入水，其受到的瞬時過載會超過10 000 N，嚴(yán)重影響AUV的安全性，甚至造成某些電子元器件失靈。過大的軸向作用力會對AUV的縱向結(jié)構(gòu)強度、剛度提出更高的要求。實際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免垂直入水。

圖8 不同入水角時軸向載荷峰值隨速度的變化規(guī)律Fig.8 The peak value changes of axial force under different water entry conditions

4 結(jié) 論

將AUV通過機載布放方式投放到預(yù)定海域可以在最大程度上滿足快速性和實時性的要求。本文通過數(shù)值模擬和理論分析的方法，以著名的REMUS 100水下航行器為例對機載布放式AUV的入水沖擊問題進(jìn)行了研究，得出了以下結(jié)論：

（1）機載布放式AUV入水會伴隨液面隆起、噴濺、空泡等現(xiàn)象，其機體，尤其是頭部在入水過程中的受力是目前研究的重點；

（2）機載布放式AUV入水初期機體受到的沖擊載荷會在短時間內(nèi)急劇增大，隨著入水的深入，載荷達(dá)到峰值后逐漸減小并趨于平緩。AUV的徑向壓力主要隨著入水角度的增大而減小，入水角度太小，可能會導(dǎo)致入水姿態(tài)不穩(wěn)定，甚至發(fā)生“跳彈”現(xiàn)象。

（3）機載布放式AUV入水軸向載荷峰值隨入水角度的增大而增大，正常情況下，應(yīng)避免采用垂直姿態(tài)入水。

[1]閆發(fā)鎖,孫麗萍,張大剛,等.圓球傾斜入水沖擊壓力特征的實驗研究[J].振動與沖擊,2015,34(8):214-218. Yan Fasuo,Sun Liping,Zhang Dagang,et al.Impacting pressure characteristics during oblique water entry of a sphere [J].Journal of Vibration and Shock,2015,34(8):214-218.

[2]Aristoff J M,Truscott T T,Techet A H.The water-entry cavity formed by low Bond number impacts[J].Physics of Fluids, 2008,20(9):1362.

[3]王永虎,石秀華.空投魚雷斜入水沖擊動力建模及仿真分析[J].計算機仿真,2009,26(1):46-49. Wang Yonghu,Shi Xiuhua.Modeling and simulation analysis of oblique water-entry impact dynamics of air-dropped torpedo[J].Computer Simulation,2009,26(1):46-49.

[4]Mei Xiaoming,Liu Yuming,Yue D K P.On the water impact of general two-dimensional sections[J].Applied Ocean Research,1999,21(1):1-15.

[5]劉 雨,王雨時,聞 泉.子彈垂直入水沖擊過載數(shù)值仿真方法研究[J].探測與控制學(xué)報,2015,27(1):64-66,71. Liu Yu,Wang Yushi,Wen Quan.Numerical simulation method of submunitions’water-entry impact acceleration with vertical posture[J].Journal of Detection&Control,2015,27(1):64-66,71.

[6]潘 光,施 瑤,杜曉旭,等.駐留航行器沉底穩(wěn)定性的數(shù)值分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2012,46(9):1493-1497. Pan Guang,Shi Yao,Dd Xiaoxu,et al.Numerical simulation of sink stability for unmanned underwater lurk vehicle[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University,2012,46(9):1493-1497.

[7]Cook P H,McDonald M A,Firmin M C P.Aerofoil RAE 2822:Pressure distributions,and boundary layer and wake measurements,experimental data base for computer program assessment[R].AGARD Report AR 138,1979.

Simulation study on water entry impact of airborne launched AUV

QI Duo,FENG Jin-fu,YU Zong-jin,LI Yong-li
(Aeronautics and Astronautics Engineering College,Air Force Engineering University,Xi'an 710038,China)

The airborne launched AUV is an autonomous underwater vehicle,which is transported to the specific sea area by aircrafts,and enters into water in certain conditions to accomplish scheduled work.The airborne launched AUV will endure very large force at the moment it enters water,which may cause damages to the structures,inner apparatus and even lose the control of trajectory.In this paper,the computational fluid dynamics(CFD)method is used to simulate and study the water entry impact of airborne launched AUV.The loading process of AUV is computed in different water entry velocity and different water entry angle.The velocity response curves and stress response curves are attained in different water entry conditions.The conclusions can provide references for the structure design and launched conditions of airborne launched AUV.

airborne launched AUV;computational fluid dynamics;water entry;impact load

TJ630

：A

10.3969/j.issn.1007-7294.2016.10.008

1007-7294（2016）10-1281-08

2016-05-17

國家自然科學(xué)基金（61472443）；陜西省自然科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（2013JQ8042）

齊 鐸（1987-），男，博士研究生，E-mail:qi33song@sina.com；馮金富（1964-），男，教授，博士生導(dǎo)師。