浮力調(diào)節(jié)艙進水上浮仿真分析

吳 琪，康寶臣，郭志軍

（山西汾西重工有限責任公司，山西 太原 030027）

0 引言

隨著無人化技術(shù)的發(fā)展，采用水下航行器進行水下產(chǎn)品的遠距離無人投送越來越受到國內(nèi)外的重視。被投送產(chǎn)品由于其自身的重力大于浮力呈現(xiàn)負浮力狀態(tài)，為保障投送的長航時、長航程要求，采用浮力調(diào)節(jié)艙進行調(diào)節(jié)以使得整個產(chǎn)品單元滿足零浮力要求。當?shù)竭_指定投放位置后，浮力調(diào)節(jié)艙與被投送產(chǎn)品分離，此時由于其自身存在較大的正浮力，分離后浮力調(diào)節(jié)艙會上浮出水，不利于產(chǎn)品的隱蔽性。因此在浮力調(diào)節(jié)艙結(jié)構(gòu)上設(shè)計有進水口，當分離后進水口打開，浮力調(diào)節(jié)艙進水，當重力大于浮力、浮力調(diào)節(jié)艙上浮速度降為零后，整個浮力調(diào)節(jié)艙下潛沉底，以避免浮力調(diào)節(jié)艙浮出水面[1]。

圖1 浮力調(diào)節(jié)艙進水模型Fig.1 Model of buoyancy-adjusting cabin

吳晞[2]對船舶破損艙室的分類方法、破口的分類原則、進水時間計算、破口處壓力計算等進行了論述和仿真模擬。徐邦禎[3-4]依據(jù)流體力學基本原理建立了船舶破艙瞬時進水速度及進水量的數(shù)學模型，對船舶在不同破損及裝載條件進行了實際計算，得出了相應的破艙進水參數(shù)。郝英澤[5]和金濤[6]分別對潛艇破損進水的操縱性及進水模型進行了分析改進，對破損情況下如何快速實現(xiàn)操控進行了論述。

本文計算的上浮進水過程，其姿態(tài)、位置、速度等都會發(fā)生快速變化，與上述進水有所不同。在運輸過程中，浮力調(diào)節(jié)艙呈水平狀態(tài)；分離過程中，由于存在較大的推沖力和推沖力矩以及浮力調(diào)節(jié)艙自身的質(zhì)浮心矩，浮力調(diào)節(jié)艙迅速旋轉(zhuǎn)并呈豎直狀態(tài)；分離結(jié)束后，浮力調(diào)節(jié)艙呈豎直狀態(tài)，在正浮力作用下上浮，進水孔打開后邊進水邊上浮，當進水質(zhì)量大于自身凈浮力時，開始減速運動，速度減為零時，開始下沉至水底。因此為了保證浮力調(diào)節(jié)艙不出水，整個上浮過程浮力調(diào)節(jié)艙的位移不能大于分離時的水深。當進水口打開后，進水速度與水深和進水口大小有關(guān)，鑒于設(shè)計階段進水口的尺寸已經(jīng)確定，因此進水快慢只表現(xiàn)在水深方面。

1 運動分析

在分離過程中，由于存在較大推沖力矩，分離完成后浮力調(diào)節(jié)艙迅速旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，這一階段進水口也相應地打開，因此在分析時近似認為旋轉(zhuǎn)階段時間很短，不計入上浮過程。整個上浮過程就變?yōu)榉治鲐Q直狀態(tài)的變加速運動。

1.1 受力分析

在浮力調(diào)節(jié)艙上浮的過程中，浮力調(diào)節(jié)艙受到以下作用力：自身的重力G，自身的浮力f，進水質(zhì)量力ms，以及流體阻力fz[7-8]。

運動學方程

動力學方程

圖2 浮力調(diào)節(jié)艙受力圖Fig.2 Force diagram of buoyancy-adjusting cabin

式中：x為水深；u表示為垂向運動速度；m11表示為附加質(zhì)量；Xu為阻尼力系數(shù)；F為外力和；Cs為阻尼無因次系數(shù)；Cm為進水損失面積；ρ為水的密度；v為進水速度；S表示為特征濕表面積；S1為進水口面積；D為浮力調(diào)節(jié)艙直徑；D1為進水口直徑。

1.2 上浮進水仿真分析

某浮力調(diào)節(jié)艙系數(shù)如下：m=180 kg；m11=170 kg；f=2 600 N；Cs=0.4；D=0.534 m；D1=0.08 m；ρ=1 000 kg/m3；Cm=0.6。

分析不同初始水深條件下的上浮進水運動。

條件1：初始水深x0=-0.8 m。

由圖3-5可知，浮力調(diào)節(jié)艙在水深8 m分離后，3.3 s上浮出水，最大上浮速度3.5 m/s，進水質(zhì)量約25 kg，進水質(zhì)量小于正浮力，此時呈正浮力狀態(tài)加速上浮階段。

圖3 垂向軌跡曲線Fig.3 Curve of vertical trajectory

圖4 垂向速度曲線Fig.4 Curve of vertical velocity

圖5 進水質(zhì)量曲線Fig.5 Curve of inflow water mass

條件2：初始水深x0=-12 m。

由圖6-8可知，浮力調(diào)節(jié)艙在水深12 m分離后，4.6 s上浮出水，最大上浮速度3.2 m/s，進水質(zhì)量約46 kg，進水質(zhì)量大于正浮力，此時呈負浮力狀態(tài)減速上浮階段。

圖6 垂向軌跡曲線Fig.6 Curve of vertical trajectory

圖7 垂向速度曲線Fig.7 Curve of vertical velocity

圖8 進水質(zhì)量曲線Fig.8 Curve of inflow water mass

條件3：初始水深x0=-16 m。

由圖9-11可知，浮力調(diào)節(jié)艙在水深16 m分離后，6.4 s上浮出水，最大上浮速度3.1 m/s，進水質(zhì)量約70 kg，進水質(zhì)量大于正浮力，此時呈負浮力狀態(tài)減速上浮階段。

圖9 垂向軌跡曲線Fig.9 Curve of vertical trajectory

圖10 垂向速度曲線Fig.10 Curve of vertical velocity

圖11 進水質(zhì)量曲線Fig.11 Curve of inflow water mass

條件4：初始水深x0=-20 m。

由圖12-14可知，浮力調(diào)節(jié)艙在水深20 m分離不會上浮出水，9.2 s時到達上浮最高點，距離水面約2.7 m，最大上浮速度3 m/s，進水質(zhì)量約118 kg，進水質(zhì)量大于正浮力，此時呈負浮力狀態(tài)下沉階段。

圖12 垂向軌跡曲線Fig.12 Curve of vertical trajectory

圖13 垂向速度曲線Fig.13 Curve of vertical velocity

圖14 進水質(zhì)量曲線Fig 14 Curve of inflow water mass

通過對不同水深條件下的浮力調(diào)節(jié)艙的上浮運動進行仿真分析，結(jié)果可知在初始水深x0=-20 m時，浮力調(diào)節(jié)艙進水上浮不能出水，滿足隱蔽性的要求。

1.3 進水上浮仿真分析

在實際水下產(chǎn)品的運輸投送過程中，水下航行器有其預先設(shè)置的航行軌跡，因此其航行水深是固定的。若水下航行器的航行水深大于 20 m，則不必考慮浮力調(diào)節(jié)艙的上浮出水情況。在某些情況下，水下航行器的航行水深小于 20 m，這樣就需要在分離前先進水若干秒，之后再分離以保證浮力調(diào)節(jié)艙不會在分離后上浮出水。針對這一運動模型，水深固定時打開進水口不同時間進水質(zhì)量不同，可以間接作用在動力學方程（2）中的初始質(zhì)量m上，相對進水質(zhì)量有所減小。

已知水下航行器的航行水深為 16 m，經(jīng)過前文分析知，需要先進水再分離才能保證浮力調(diào)節(jié)艙不會出水。

條件1：進水1 s后分離。

由圖15-17可知，浮力調(diào)節(jié)艙在進水1 s后分離，7.9 s后上浮出水，最大上浮速度2.7 m/s，進水質(zhì)量約70 kg，進水質(zhì)量大于正浮力，此時呈負浮力狀態(tài)減速上浮階段。

圖15 垂向軌跡曲線Fig.15 Curve of vertical trajectory

圖16 垂向速度曲線Fig.16 Curve of vertical velocity

圖17 進水質(zhì)量曲線Fig.17 Curve of inflow water mass

條件2：進水2 s后分離。

由圖18-20可知，浮力調(diào)節(jié)艙在進水2 s后分離不會上浮出水，8.6 s到達上浮最高點，距離水面約 4.3 m，最大上浮速度 2.1 m/s，進水質(zhì)量約86 kg，進水質(zhì)量大于正浮力，此時處于負浮力狀態(tài)下沉階段。

圖18 垂向軌跡曲線Fig.18 Curve of vertical trajectory

圖19 垂向速度曲線Fig.19 Curve of vertical velocity

圖20 進水質(zhì)量曲線Fig.20 Curve of inflow water mass

通過對同一水深（16 m）不同進水條件下的浮力調(diào)節(jié)艙的上浮運動進行仿真分析，結(jié)果可知在進水2 s后分離，浮力調(diào)節(jié)艙不能出水，滿足隱蔽性的要求。

2 試驗驗證

基于上述仿真結(jié)果，在湖上進行不同深度進水上浮測試，將浮力調(diào)節(jié)艙與重塊相連，利用絞車定深放索，使得艙體在水下一定深度，給出動作信號后，依次上浮進水或者進水上浮。為使得上浮過程與實際使用工況盡可能的一致，將艙體與重塊水平放置，甩出動作信號電纜至母船，根據(jù)時序給出動作信號。上浮驗證結(jié)構(gòu)如圖 21。試驗結(jié)果見表1。

圖21 湖上驗證示意圖Fig.21 Schematic diagram of lake test

表1 不同水深進水時間Table 1 Time of water inflow at different depths

參照1.3節(jié)16 m水深條件下的進水后上浮結(jié)果，可知仿真計算結(jié)果與湖上試驗結(jié)果相一致，需先打開進水口，進水2 s后再進行分離，浮力調(diào)節(jié)艙不會上浮出水。

從結(jié)果可知，隨著水深增大，所需進水時間減小，主要原因是隨著水深增大上浮距離增加，且進水速率增大，整個運動過程所需時間加長，有足夠的時間、空間裕度來完成速度降為零的要求，從而保證艙體不會浮出水面。對于不同航行深度，可根據(jù)水深來設(shè)定進水時間以保證不出水的要求，從而避免進水時間過長使得整個產(chǎn)品的縱傾姿態(tài)角過大，影響后續(xù)動作過程。

3 結(jié)束語

本文通過對浮力調(diào)節(jié)艙的運動過程進行分析得到了受力模型及運動方程，對不同水深條件下的上浮進水過程進行了仿真分析，從結(jié)果可知：1）水下航行器航行深度大于20 m可保證浮力調(diào)節(jié)艙上浮進水后不會出水；2）隨著水深的增加，進水速率亦增加；3）上浮最大速度在 2～3 s之間達到最大。通過對典型航行水深16 m工況進行了分析計算，從結(jié)果可知：進水2 s，進水質(zhì)量約31 kg，8.6 s到達上浮最高點，距離水面約4.3 m，此時浮力調(diào)節(jié)艙不會出水，滿足布放要求，湖上試驗驗證了仿真結(jié)果的有效性。

通過湖上試驗摸底，得到了不同深度進水后再分離上的試驗數(shù)據(jù)，可根據(jù)實際航行深度來確定進水時間，以得到更加合理的動作時機和縱傾角度。