波浪环境下应急救援艇入水砰击的运动特性研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:江苏省工业和信息产业转型升级专项资金项目()作者简介:史禹()男硕士研究生:.通信作者:洪亮()男博士副研究员:.:./.波浪环境下应急救援艇入水砰击的运动特性研究史 禹洪 亮马如相(.南京理工大学 能源与动力工程学院 南京.江淮前沿技术协同创新中心 合肥)摘要:基于 阶 波理论采用速度入口造波法与阻尼消波法建立效果良好的 维波浪数值水池 研究波浪参数对救援艇入水过程产生的影响研究结果表明:救援艇垂直入波浪水面时相对波浪的方位对入水砰击载荷产生的影响大垂直于波浪入水各相位的砰击载荷均小于静水面平行于波浪入水各相位中仅波谷位置入水的砰击载荷小于静水面平衡位置(下行速度)处的砰击载荷最大约为静水面情况的.倍随着海况等级的增大波浪对救援艇入水过程的扰动加剧砰击载荷增大 救援艇具有水平速度以倾斜姿态入波浪水面时相比于波浪的传播方向入水相位对救援艇的砰击载荷产生的影响大随着海况等级的增加救援艇各方向的砰击载荷增大入水过程俯仰角的变化幅值逐渐减小关键词:数值水池入水砰击数值模拟运动响应本文引用格式:史禹洪亮马如相.波浪环境下应急救援艇入水砰击的运动特性研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:.().:引言海洋环境十分复杂根据海洋区域的不同伴随着气候气节的变化应急救援艇实际的投放过程中不可避免的会遭遇到波浪的环境 波浪因其具有较高的能量密度对砰击载荷有着至关重要的影响而备受关注如果救援艇的触水点在较危险的波浪位置将会出现平静水面投放未曾预见的极限冲击载荷使得救援艇中的设备受到冲击损坏的风险急剧增加波浪参数对救援艇入水的影响值得深入研究金禹彤等基于速度入口造波法、阻尼消波法和流体体积()液面捕捉技术建立了规则波与不规则波的数值水池并结合整体动网格研究规则波相位和不规则波对楔形体入水过程中受力特性与运动姿态变化的影响 杨衡等将考虑入射波作用下的 方程与结构运动方程耦合求解研究 维刚性圆柱体在波浪、洋流以及波流共同作用下入水过程的运动响应及姿态变化 赵庆新等研究波浪参数和风速对 入水过程的运动特性产生的影响 吴宗成等基于滑移动网格方法模拟飞机在复杂海况下的任意姿态研究飞机在波浪环境下 种不同航向的迫降对比分析飞机不同工况下的运动姿态和各部件的受力情况 闫家益等 采用光滑粒子流体动力学()的方法建立飞机在 级海况下水上迫降模型研究入水姿态角和起落架收放状态对飞机迫降性能产生的影响 马增辉等 通过罚函数耦合方法(即 方法)模拟两栖飞机与波浪环境下水体的相互作用研究飞机相对波峰不同位置入水对飞机姿态角变化、砰击载荷以及机体底部压力分布产生的影响 等研究救生艇不同方向入规则波的入水过程并与规则波浪中救生艇入水的模型试验结果进行对比验证陆嘉文研究波浪作用下刚性与弹性航天返回舱的入水砰击特性研究结果表明弹性与刚性返回舱的速度变化趋势基本一致但弹性的砰击载荷峰值低于刚性并且返回舱受到波浪的冲击载荷小于静水面情况 王平等研究波浪参数(即波高、周期、入水相位)对楔形体入水砰击产生的影响以及入水过程自由液面变化和楔形体表面压力分布变化宋志杰等针对飞机海上紧急迫降遭遇巨大砰击载荷现象研究波浪波高与波长对砰击载荷与运动响应产生的影响 邱啸研究 级海况波浪作用下返回舱的着水迫降性能结果表明水平速度越小波浪的传播方向对返回舱入水运动响应的差别越明显 钱进与王志东等基于重叠网格技术建立救生艇入水全过程数值模型研究各种运动参数对艇体入水过程动力学特性产生的影响 杨晓林采用重叠网格技术与六自由度 模型模拟 飞机静水中迫降问题 吴臣研究静水与波浪环境对直升机应急入水冲击过程产生的影响研究表明波浪情况下直升机的垂向过载大于静水工况且直升机波浪情况下入水会产生 个过载峰值分别为机体入水初期与机体完全入水后 仿真模型理论基础.控制方程控制方程包括连续性方程和动量守恒方程由于本文不考虑流体的压缩性将流体视为不可压缩流体因此其控制方程为()()()()()()()()()()()式()、式()中:为流体密度 为流体动力粘度 为流体微元的压力、分别为流体微元的速度分量、为流体微元 个方向的质量力.阶 波理论的基本方程 阶 波理论是当前在工程计算中应用广泛的波浪理论本文中所采用的波浪为推导修正后的 阶 波理论.波面方程 阶 波的波面方程为 ()()式()中各项系数定义如下 兵 器 装 备 工 程 学 报:/./上述各项式中的 是一个常数不同波级对应不同数值上述各式系数的表达式为()()()()()()()().波速 方程 阶 波的波速为()()式()中:()()()()式()式()中:为波速:系数 的取值与波速有关 为波宽 为波高 为与波级有关的系数 三维数值水池造波及波形验证.数值水池的建立及波浪参数设置根据波浪理论结合 液面捕捉技术处理气液两相交界问题本文选用数值造波技术中的边界条件造波法(即速度入口造波法)根据 阶 波理论导出速度公式给定边界速度分布实现三维数值造波 通过将仿真结果与理论解析解进行对比分析以此验证速度入口造波法和阻尼消波法的准确性与有效性以及验证 阶 造波的可行性 波浪水池的物理模型设置与静水面情况一样数值水池中造波区域的长度约为 倍波长取 消波区域的长度约为 倍波长取.具体波浪参数如表 所示 数值水池的边界条件设置如图 所示数值水池大小为.采用六面体结构化网格划分数值水池计算域边界设置:底部边界为无滑移壁面()左侧边界以及顶部边界为速度入口()右侧边界为压力出口()前后两侧为对称面()为了准确获取波浪衰减情况分别在数值水池设置自由液面波高监测仪器如图 所示用于监测计算域内各点的波浪形状随时间的变化具体设置位置:前 个波高仪放置在造波区域内(即 .、.、.、.处)号波高仪放置在消波区域内(即 .处位于压力出口边界附近)用于监测阻尼消波法的消波性能表 波浪参数 参数数值参数数值波高/.波速/().波长/.水深/.周期/.图 数值水池计算域及边界条件.图 波高仪放置位置示意图.波浪收敛性分析与验证波面形状精度主要受到 个因素的影响:数值水池 轴方向为波高方向网格绝对尺寸为/左右(为波高)轴为波浪运动方向网格的绝对尺寸为/(为波长)这样才能较为完整的模拟出波高 求解计算隐式非稳态求解器的时间步长()从而保证波浪不会随着时间的变化发生较大幅度的衰减 网格划分如表 所示 图 为数值水池网格划分示意图图 为波浪网格表面表 不同方案下网格划分情况 /时间步长/网格数方案.万方案.万方案.万方案.万史 禹等:波浪环境下应急救援艇入水砰击的运动特性研究图 数值水池网格划分示意图.图 波浪网格表面.波高仪监测点波浪振幅随时间变化曲线如图 所示从图 可以看出初始时刻数值解与理论解存在较大差距经历一段时间历程后波浪逐渐趋于稳定 在稳定后造波区域中处于前中段的波高仪监测的数值解与理论解高度重合造波区域后段波高仪监测的数值解与理论解相比数值解更小是由于考虑粘性力和重力的作用导致波浪传播过程中的能量将逐渐减小导致波高衰减 而理论求解是基于势流理论下的理想流体求解过程时忽略黏性力的作用波浪能量没有衰减所以随着波浪时间历程变长仿真计算结果的波高会比理论解小消波区域的 号波高仪监测到波高的数值解明显低于理论解数值解波形被吸收说明边界阻尼消波法有效图 波高仪监测点波浪振幅随时间变化曲线.波浪环境下入水特性分析.救援艇垂直入水.救援艇与波浪水池的尺寸救援艇简化模型如图 所示尺寸参数如表 所示图 救援艇简化模型.表 尺寸参数 /.本节建立 (为波长)的 维数值水池计算域从而能够保证计算域在各级海况下能够形成完整的波形并且能够避免波浪接触到边界后产生回流对计算结果造成影响 为了减少计算量同时满足计算精度获得完整的波形将计算域划分为 个区域:波浪形成区、计算工作区、消波区其中波浪形成区 计算工作区域 消波区域 空气域高度 水域高度 如图 所示 对重叠网格的运动范围与背景网格相互重叠的区域进行局部网格加密使 个区域的网格尺寸相等 计算域的左侧边界设置为速度入口边界即基于 阶 波浪理论的速度分布给定速度图 计算域网格划分示意图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./波浪对结构物入水的影响因素众多波浪的影响具有一定的随机性 本文中主要从波向、波高、波浪相位 个主要影响因素为分析波浪对救援艇垂直入水过程的影响.波浪相位的影响分析救援艇在波浪的 个不同相位入水的位置如图()所示 本节分别研究在 级海况条件下垂直于波浪与平行于波浪 种情况中不同相位对入水过程的影响 各相位垂直入水示意图(垂直于波浪)如图 所示垂向过载与速度时间历程曲线(垂直于波浪)如图 所示图 波浪水面形状与速度分布.图 各相位垂直入水示意图(垂直于波浪).()从图 可知救援艇在波谷位置处入水时所受的垂向过载峰值最大与静水面情况差别较小 个位置的垂向速度降低趋势基本一致而在平衡位置(上行速度)处入水初期受到的垂向过载最小速度变化更缓相比于平衡位置波峰位置对结构物垂向过载峰值与速度的改变均不明显图 为救援艇垂直于波浪不同相位入水过程中俯仰角的变化情况在平衡位置(上行速度)和平衡位置(下行速度)入水过程中救援艇受到波浪的影响较大俯仰角变化速率较大 波峰与波谷入水、平衡位置(上行速度)与平衡位置(下行速度)分别产生相反方向的俯仰角变化这是由于波峰与波谷、平衡位置(上行速度)与平衡位置(下行速度)处水质点速度方向相反导致救援艇在入水时分别产生相反的旋转方向 相同运动参数和运算时间内平衡位置(下行速度)入水时的俯仰角最大值大于平衡位置(上行速度)入水波谷入水过程中俯仰角的变化最小 图 所示为各相位救援艇平行于波浪传播方向入水示意图图 垂向过载与速度时间历程曲线(垂直于波浪).()图 角度变化时间历程曲线(垂直于波浪).()史 禹等:波浪环境下应急救援艇入水砰击的运动特性研究图 各相位垂直入水示意图(平行于波浪).()救援艇各相位入波浪水面的载荷及运动响应(平行于波浪)如图 所示 从图()、图()可知从整体趋势来看各位置入水所受垂向载荷变化规律相似即呈现出先增大后减小的趋势过载峰值均出现在入水初期且与平缓值相近 差异主要受波形及行进波内速度场影响模型在波浪平衡位置(下行速度)处所受到的垂向过载峰值最大大于静水面情况垂向速度衰减最显著而在平衡位置(下行速度)处入水时初期所受的垂向水动力最小小于静水面垂向速度衰减更缓慢 波谷位置入水时的垂向速度的变化趋势与静水面相似 从图()可以看出相位对救援艇入水过程中横向速度变化有着很大影响模型在波谷附近入水横向速度变化最小在波峰处附近入水横向速度变化最大平衡位置处的水平速度变化介于波峰与波谷之间这是由于波峰附近的波浪力远远大于波谷处波浪的作用力 图()为救援艇在不同相位入水过程中滚转角变化情况从图()中能够看出入水初期在平衡位置的上行速度与下行速度处模型滚转角变化速率快入水后期波峰与波谷处模型滚转角变化速度快这是因为入水初期对模型滚转产生影响的主要是横向波内水流速度后期是由于模型同时受到自身重力以及水的浮力作用从而产生力矩使得模型继续发生滚转图 救援艇各相位入波浪水面的载荷及运动响应(平行于波浪).().海况等级的影响分析基于上文讨论研究同级海况下救援艇在平衡位置(下行速度)处入水的过载最大 因此研究不同等级海况的影响时将救援艇接触水面时的波浪设置为正处于平衡位置(下行速度)处 各等级海况下波浪参数如图 所示 不同海况等级下救援艇运动响应如图 所示 对比不同等级下入水工况救援艇入水的垂向过载的变化趋势基本一致过载幅值随着海况等级增加而增加这是由于随着波浪等级的增加平衡位置(下行速度)处水质点运动速度增大的幅度要大于迁移速度增大的幅度故其受力也随之增加兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 不同海况等级示意图.图()是在不同海况等级下救援艇入水过程中垂向速度随时间变化的历程曲线由图()能够看出海况等级对于救援艇入水过程垂向方向速度影响很大 级与 级海况下垂向速度的衰减趋势相对平缓随着海况等级的增大速度的衰减趋势逐渐增大随着海况等级的增大救援艇入水过程中横向速度变化量明显增加 图()为不同等级海况下救援艇入水过程滚转角随时间变化的历程曲线由图()可以看出海况等级对救援艇入水姿态的影响明显随着海况等级的提高滚转角的变化呈现递增趋势 级与 级海况下滚转角变化趋势相对平缓 级海况之后滚转角出现剧增现象这表明救援艇入水过程中受到的波浪力随着海况等级的提高逐渐增加图 不同海况等级救援艇运动响应.救援艇水平速度倾斜入水分析根据波浪的传播方向与结构物水平速度方向的相对关系将垂直于波浪入水分为完全迎浪和完全顺浪完全顺浪指的是结构物水平速度和波浪传播方向相同完全迎浪指的是结构物水平速度和波浪传播方向相反 为了研究波浪条件下入水可能遭遇的极限冲击载荷因此本节选择更为危险的姿态进行救援艇波浪入水研究工况条件如下以水平速度 /垂向速度 /负值倾角(即俯角)的姿态入水 本文选 级海况环境进行研究.波浪传播方向的影响根据 的研究表明冲击载荷与冲击速度的平方成正比 在平衡位置(下行速度)处入水时波浪垂向运动速度最大故救援艇相对于水面的下沉速度最大因此推测此处救援艇可能遭遇最大冲击载荷 此外设置额外的对照入水点波峰相位处入水时波浪运动速度为 救援艇相对水面的下沉速度是自身的下降速度如图()所示图 为救援艇完全迎浪与顺浪条件下入水初始位置示意图史 禹等:波浪环境下应急救援艇入水砰击的运动特性研究图 救援艇波峰与平衡位置倾斜入水示意图.图 给出了波浪环境下倾斜入水的 种工况与静水面入水的垂向速度与横向速度随时间变化曲线 图()、图()分别给出了波浪环境中倾斜入水的 种工况与静水面入水的垂向过载与横向过载随时间变化曲线从垂向过载时历曲线来看水对模型的垂向过载的变化均呈现先增大后减小的趋势相较于静水面波浪状态下的垂向过载峰值出现时间提前且波浪的存在使得垂向过载的作用时间短于静水面这是由于波浪的存在改变模型周围水质点的运动状态 除顺浪情况中波峰处入水垂向过载峰值低于静水面入水其余 种工况的垂向过载峰值均大于静水面情况 迎浪中平衡位置(下行速度)处过载峰值最大这是由于平衡位置(下行位置)处波浪内水质点的垂向速度最大模型入水时所受到的作用力最大波浪的存在使得整个过载曲线更加平稳而静水条件下过载曲面出现一定的波动这可能是因为波浪改变了模型入水过程中的射流状态使得模型受到水的作用力更均匀图 救援艇倾斜入水各方向速度与过载变化曲线.从横向过载时历曲线来看模型在入水过程中受到的横向过载呈现迅速增大后缓慢减小并趋于稳定的变化趋势除顺浪情况中波峰处入水的横向过载峰值外其余工况下入水的横向过载峰值均大于静水面情况 波峰处入水的 种情况受到的水平阻力与静水面基本相同平衡位置(下行速度)处入水的横向过载稳定值均大于静水面 这是由于该位置波内水质点流速大且相比于波峰位置该位置模型入水倾角较小与液面接触面积大对流场的扰动较大使得横向过载较大当模型的运动方向与波浪传播方向相反时波浪的作用较大当其与运动方向相同时波浪的作用减小 波浪的传播方向对模型入水的过载影响较小对模型入水过载产生较大影响的是入水位置 波峰处的 种情况下入水时垂向过载与横向过载相近说明模型波峰位置入水时能够近似的认为其在静水面处入水观察图()可知模型的垂向速度随时间变化逐渐减小其减小幅度先快后慢当入水位置为波峰相位处时垂向速度曲线的变化趋势与静水面较为相似 虽然顺浪中平衡兵 器 装 备 工 程 学 报:/./位置(下行速度)处入水的垂向速度稳定值小于波峰处与静水面情况但垂向过载较大 这是由于垂向速度稳定时入水运动基本结束而入水初期平衡位置处的垂向速度斜率大于波峰处与静水面情况的速度斜率说明波浪的传播方向对模型入水的垂向速度存在一定程度的影响观察图()可知所有工况的水平速度变化趋势基本相似水平速度的变化趋势均为逐渐减小平衡位置(下行速度)处 种情况入水的水平速度变化均大于波峰处与静水面入水情况相同位置入水迎浪情况水平速度斜率远小于顺浪情况 说明对模型入水运动产生影响的主要因素是波浪的入水相位 救援艇倾斜入水过程中姿态变化如图 所示 从图()能够看出波峰处入水的俯仰角变化趋势与静水面相似迎浪情况中波峰处入水模型的角度偏转最大说明波峰处入水波浪的传播方向对模型波峰入水过程中的角度变化影响较大 入水位置同样对模型入水的俯仰角变化产生不同于波峰处的影响相比于波峰处与静水面入水平衡位置(下行速度)入水的 种情况俯仰角变化斜率小角度变化幅度小但 种情况的俯仰角变化趋势基本一致 从图()能够看出所有工况纵向位移变化趋势基本相似静水面情况下位移变化斜率最大纵向位移峰值最大迎浪平衡位置(下行速度)处纵向位移峰值最小位移变化斜率最小说明波浪的存在对模型的纵向位移存在一定程度的影响 从图()能够看出波浪的存在对模型入水力矩的影响明显模型在静水面入水后力矩波动幅度最大在波峰处入水力矩波动相对减小在平衡位置(下行速度)处入水力矩波动最小这是由于平衡位置(下行速度)处的波面是倾斜的且救援艇为负值倾斜入水入水初期模型与水面接触的面积最大从而使得模型入水过程产生的力矩较小这说明波面对模型入水过程的力矩产生的影响较大综上所述救援艇倾斜入波浪时最优入水位置为波峰处 入水的最危险位置为平衡位置处(下行速度处)为了救援设备的安全应考虑设备在波浪环境入水时应考虑到可能会落在该处图 救援艇倾斜入水过程中姿态变化.海况等级的影响分析根据上文研究在 级海况下平衡位置(下行速度)处完全迎浪状态入水救援艇的过载最大因此研究不同等级海况的影响时将模型接触波面设置为处于平衡位置(下行速度)处 不同等级海况下倾斜入水垂向与横向过载的时间历程曲线如图 所示 随着海况等级的增大垂向过载峰值越大垂向过载达到峰值所需要的时间越短 这是由于随着海况等级的增加平衡位置(下行速度)处的水质点垂向速度逐渐增加从而使得救援艇的过载增加 从图()能够看出不同等级海况下入水横向过载的变化趋势相似呈现的趋势为先迅速增大到达峰值后缓慢减小并趋于稳定 随着海况等级的增加不仅横向过载峰值增加横向过载的稳定值也在增加 这是由于随着海况等级的增加波浪的传播速度增加从而使得模型入水时受到水的砰击力增加入水运动后期依然会受到水的作用力不同等级海况下垂直速度与水平速度的变化趋势相似随着海况等级的增加垂向速度与横向速度的衰减趋势逐渐增大 级海况后水平速度衰减趋势出现剧增现象图 为不同等级海况下救援艇入水过程中俯仰角与水平位移的变化情况 级海况下模型的角度偏转最多随着海况等级的增加相同时间内俯仰角的变化幅度逐渐减小不同等级海况下模型的水平位移变化趋势相似随时间变化逐渐增加 随着海况等级的增加水平位移的斜率逐渐减小位移幅值逐渐降低 这说明波浪中的水质点速度对模型入水过程中的角度偏转有抑制作用史 禹等:波浪环境下应急救援艇入水砰击的运动特性研究图 不同等级海况下倾斜入水各方向速度与过载变化对比.图 救援艇倾斜入水过程中姿态变化.结论本文中基于 阶 波浪理论和三维数值水池速度入口造波技术与消波技术通过网格及时间步长收敛性分析验证网格划分方案能够获得稳定的波形 对救援艇入水过程中受到的海洋复杂环境影响因素进行分析研究了不同等级的海况、不同的入水相位以及不同的波浪传播方向对救援艇入水过程的运动及砰击载荷的变化规律 结论如下:)救援艇以垂直于波浪的方式入水时不同相位入水所受到的砰击载荷均小于静水面情况平衡位置处入水姿态变化最大而在波峰与波谷处入水过程姿态变化较小 由于波峰与波谷处水质点的运动方向相反模型在这 处入水时的旋转方向相反)救援艇以平行于波浪的方式垂直入水时不同相位入水对模型的砰击载荷产生不同的影响 除平衡位置(上行速度)处入水受到的砰击载荷小于静水面情况其余 个相位处入水产生的砰击载荷均大于静水面情况其中平衡位置(下行速度)处的砰击载荷最大 随着海况等级的提升救援艇入水砰击载荷逐渐增大滚转角变化趋势加剧)救援艇以具有水平速度倾斜入水时波峰处入水可以近似的看作静水面入水相比于波浪传播方向波浪的入兵 器 装 备 工 程 学 报:/./水位置对救援艇入水砰击载荷影响最大平衡位置(下行速度)处入水产生的砰击载荷最大 随着海况等级的提升对救援艇入水过程影响越明显救援艇触水初期会遭受巨大的砰击载荷为了减小砰击载荷理想的着水位置应为波浪的波峰相位处参考文献:金禹彤陈吉昌卢昱锦等.楔形体入波浪水面数值模拟.航空学报():.():.杨衡孙龙泉刘莹等.波流作用下圆柱体入水特性的三维数值模拟研究.船舶力学():.():.赵庆新丁忠军.波浪条件下空投 入水数值模拟.华中科技大学学报():.():.吴宗成黄波恩吴亚聪.滑移动网格在波浪水面迫降数值模拟中的应用.哈尔滨工业大学学报():.():.张盛闫家益朱书华等.基于 的小型飞机水上迫降姿态数值仿真.航空计算技术():.():.闫家益.基于 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