畸形波浪环境下的埋首式无人艇水面运动特性

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.342

畸形波浪环境下的埋首式无人艇水面运动特性

巩超¹, 侯远杭^,¹, 张宇骐¹, 刘殿勇¹, 万跃进²

1.大连海事大学船舶与海洋工程学院,辽宁大连 116026

2.中车株洲电力机车研究所有限公司,湖南株洲 412001

Characterization of Surface Motion of Submerged Unmanned Ship in Freak Waves Environment

GONG Chao¹, HOU Yuanhang^,¹, ZHANG Yuqi¹, LIU Dianyong¹, WAN Yuejin²

1. Naval Architecture and Ocean Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China

2. CRRC Zhuzhou Institute Co., Ltd., Zhuzhou 412001, Hunan, China

通讯作者: 侯远杭,副教授,电话(Tel.):0411-84724596;E-mail:houyuanhang@dlmu.edu.cn.

责任编辑: 王一凡

收稿日期: 2023-07-24 修回日期: 2023-12-15 接受日期: 2023-12-29

基金资助:

高性能船舶技术教育部重点实验室开放基金课题资助项目(gxnc23052803)

Received: 2023-07-24 Revised: 2023-12-15 Accepted: 2023-12-29

作者简介 About authors

巩超(1996—),硕士生,从事海洋结构物水动力性能研究.

摘要

船舶在遭遇畸形波浪时,瞬间的冲击会使波浪载荷急剧变化,严重时甚至会造成船舶倾覆.为探索能有效抵御异常波浪冲击的特种船型,以对极端海况下高强度波浪载荷具有优良适应性的某型埋首式无人艇为研究对象,分析了其在多种波浪环境下的运动特性.首先基于雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),考虑了不同波幅的五阶Stokes波、畸形波对无人艇水面运动的影响;其次使用动态流体固体相互作用(DFBI)模型对船舶纵摇和垂荡两个自由度的运动进行分析;再次对仿真结果进行可视化处理,分析了船体表面压力、总阻力、运动响应和载荷特性.结果发现:随着波幅增加,埋首式无人艇的波浪载荷增大,运动响应更加剧烈;与五阶Stokes波相比,无人艇在畸形波中的波浪载荷更小,对船体结构安全具有较好的保护性,原因在于埋首式无人艇首部集合了锥形船首与球鼻艏的优势,对流经船首的波浪产生了分散、分割的效果,有效抑制了波浪的冲击力,保证了无人艇在极端海况下的航行安全.研究结果可为埋首式无人艇在畸形波等极端海况下的安全航行提供技术支撑.

关键词： 畸形波; 埋首式无人艇; 波浪载荷; 数值模拟

Abstract

When a ship encounters abnormal waves, the instantaneous impact will cause a drastic change in the wave load, potentially leading to capsizing in serious cases. To investigate the special ship type that can effectively withstand the impact of freak waves, this paper explores a certain type of submerged unmanned ship with excellent adaptability to high-intensity wave loads under extreme sea conditions, and analyzes its motion characteristics under various wave environments. First, based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS), the effects of the fifth-order Stokes waves and freak waves with different wave amplitudes on the water surface motion of the unmanned ship are taken into account. Then, the motion of ship pitch and heave in two degrees of freedom is analyzed by using the dynamic fluid body interaction (DFBI) model. Finally, the simulation results are visualized to analyze the surface pressure of the hull, the total resistance, the motion response, and the load characteristics of the ship. The results show that as wave amplitude increases, the wave load of the submerged unmanned ship also increases, and the motion response becomes more intense. Compared with the fifth-order Stokes waves, the wave load of the unmanned ship in deformed wave is smaller, which is advantageous for the safety of the hull structure, because the head of the submerged unmanned ship combines the advantages of a conical bow and a bulbous bow, allowing it to disperse and divide the wave flowing through the bow, and effectively inhibit the impact of the wave. This effectively suppresses the impact of the waves and ensures the safety of the unmanned ship in extreme sea conditions. The results of this study can provide technical support for the safe navigation of submerged bow-type unmanned ship in extreme sea conditions, such as freak waves.

Keywords： freak waves; submerged unmanned ship; wave load; numerical simulation

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本文引用格式

巩超, 侯远杭, 张宇骐, 刘殿勇, 万跃进. 畸形波浪环境下的埋首式无人艇水面运动特性[J]. 上海交通大学学报, 2025, 59(4): 447-457 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.342

GONG Chao, HOU Yuanhang, ZHANG Yuqi, LIU Dianyong, WAN Yuejin. Characterization of Surface Motion of Submerged Unmanned Ship in Freak Waves Environment[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2025, 59(4): 447-457 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.342

自1995年在北海Draupner平台记录到的“新年波”证实了异常波浪的存在以来,近30年中,异常波浪一直是较新的研究主题之一^[1].畸形波是指在海洋中出现的出乎意料的、异常的巨浪(通常用 $H 2 H_{s}$ 来定义,其中 $H$ 为最大波高, $H_{s}$ 为有效波高),极易对船舶、石油平台等海洋结构物造成严重破坏.Didenkulova等^[2]对2005—2021年以来发生的429起畸形波事件进行了分析,研究表明,这种极易对海洋结构物造成严重威胁的异常波浪在世界各地广泛发生,并对海岸结构、人类生命和船舶航行造成了严重后果.

近年来,国内外研究人员在畸形波对船舶与海洋结构物的相互作用领域开展了大量研究,并取得了一定的成果.Zhao等^[3]提出了一种基于自由表面边界条件下Navier-Stokes方程(RANS)的非线性波体相互作用改进模型,研究了畸形波对大振幅运动浮体的影响.Huo等^[4]研究了畸形波作用下半潜式海上平台的气隙响应和冲击载荷,并对其水动力特性进行了分析.Chang等^[5]讨论了考虑二阶波力和聚焦位置影响的张力腿平台在异常波中的动力响应.秦浩等^[6]建立二维数值水槽进行了非线性畸形波的造波,并研究了非线性畸形波对平台下甲板的砰击问题.Zhong等^[7]采用计算流体力学(CFD)和有限元系泊线耦合模型,研究了15 MW半潜式浮式海上风力机在畸形浪作用下的动力学特性.Wang等^[8]分析了畸形波作用下船舶的运动响应和砰击载荷的特征,揭示了畸形波波峰和序列对横摇、垂荡和冲击压力的影响.Vásquez等^[9]对一艘散货船和一艘滚装船在畸形波作用下的垂直弯矩进行了实验和数值计算,研究了极端海况下船体几何形状对垂直弯矩的影响.Qin等^[10]建立甲板室简化模型,研究了畸形波对甲板室的冲击和甲板室壁的结构响应.Zhang等^[11]基于CFD方法对三维波浪水槽中固定船模的甲板上浪现象进行了数值研究,探究了不同阶段的水运动情景、速度场和船首冲击压力.

埋首式无人艇是一种高性能的新概念船型,它取消了常规船型的外飘式设计,船首处从甲板边缘开始采用大角度倾斜舷侧结构,与球鼻艏光顺连接,从而可以在航行时有效引导冲击波浪向两侧分流,避免高强度波浪载荷对甲板以及首部舷侧的冲击.与常规船型相比,其主船体能规避波浪的影响^[12],兴波阻力较小,平台稳定性高,有利于克服恶劣海况对船载设备的影响^[13].

综上所述,关于畸形波的研究,已经从统计特性、生成机理、数值和物理模拟等向波浪与结构物相互作用的方向发展,但目前的研究主要集中在畸形波的聚焦位置、波峰、序列、频谱等波浪因素对海洋平台及常规船型运动响应的影响和甲板上浪现象的探究,对畸形波作用下的结构物运动响应、砰击载荷等相关的研究较少,尤其缺乏对半潜式无人航行器、埋首式无人艇等新式航行器的作用效应的深入探讨.因此在前人的研究基础上,本文基于RANS的黏性流理论方法,考虑了不同波高的五阶Stokes波、畸形波对埋首式无人艇水面运动的影响;使用动态流体固体相互作用(DFBI)模型对船舶纵摇和垂荡两个自由度的运动进行了分析.同时,对仿真结果进行了可视化处理,分析了船体表面压力、总阻力、运动响应和波浪载荷,以更加深入地了解埋首式无人艇在不同海况下的性能表现.

1 数值模拟方法

1.1 数值波浪水池

采用基于RANS的商用软件STAR-CCM+进行CFD求解,该软件基于有限体积法(FVM)对流场进行离散化;使用流体体积法(VOF)多项模型模拟气液二相流;采用二阶隐式时间离散格式和二阶迎风对流离散,并通过高分辨率交界面捕捉(HRIC)格式跟踪两种不混相流体组分之间的尖锐界面.选用了Realizable k-ε两层湍流模型(k为湍动能,ε为湍流耗散率),其结合了Realizable k-ε模型与双层模型的优势,对于有旋流动问题预测更加准确^[14].

描述两相、不可压缩和黏性流动的控制方程为

(1)

\frac{\partial (v_{x})}{\partial x} + \frac{\partial (v_{y})}{\partial y} + \frac{\partial (v_{z})}{\partial z} = 0

(2)

\begin{array}{l} \frac{\partial {\bar{v}}_{i}}{\partial t} + {\bar{v}}_{j} \frac{\partial {\bar{v}}_{i}}{\partial x_{j}} = \\ J_{i} - \frac{1}{ρ} \frac{\partial p}{\partial x_{i}} + \frac{1}{ρ} \frac{\partial}{\partial x_{j}} (μ \frac{\partial {\bar{v}}_{i}}{\partial x_{j}} - ρ v'_{i} v'_{j}) \end{array}

式中: $v = (v_{x}, v_{y}, v_{z})$ 为3个不同方向上流体单元的速度分量; $x_{i} 、 x_{j}$ 为空间坐标分量;p为静水压力; $ρ$ 为流体密度; $μ$ 为动力黏性系数; t为时间; $J_{i}$ 为流体力; ${\bar{v}}_{i} 、 {\bar{v}}_{j}$ 为平均速度在2个坐标方向上的分量; $v'_{i} 、 v'_{j}$ 为脉动速度在2个坐标方向上的分量.

VOF是船舶水动力研究中一种较为常用的自由表面变形捕捉方法,通过监测各相在单个单元控制体积中的比例,在质量和动量方程的求解中,引入了标量场函数f'(体积分数),根据比例求解单元中的等效流体^[15].

场函数f'的输运方程为

(3)$\frac{\partial F}{\partial t}+(\boldsymbol{v} \cdot \boldsymbol{\nabla}) f^{\prime}=0$

式中:当计算域内充满水或空气时,f' =1或0;当计算域内存在气液交界面时,f'的取值介于0~1之间.

1.2 畸形波模型

基于现有的研究成果,畸形波的生成机制分为线性机制和非线性机制两类^[16].线性机制的核心是将具有不同频率、方向特性的波浪在同一时、空点聚集,以运动学的方式描述波面的时空状态;非线性机制的研究特别关注了非线性动力过程在波面时空演化过程中的作用.本文采用的相速度法将不同周期、幅值和相位的一阶波进行叠加,从而使波浪在特定时间和位置聚焦生成畸形波.

本文采用Liu等^[15]提出的单向聚焦生成畸形波的方法,基于波浪色散理论,线性叠加生成畸形波.不考虑聚焦方向,假定各组成波在指定时刻 $t = t_{0} 聚焦于 x = x_{0}$ 处,畸形波波面方程可以写成:

(4)

\begin{array}{l} η (x, t) = \\ \sum_{i = 1}^{M_{f}} a_{i} c o s [k_{i} (x - x_{0}) - 2 π f_{i} (t - t_{0})] \end{array}

式中: $M_{f}$ 为组成波个数; $k_{i}$ 为波数; $a_{i}$ 是频率为 $f_{i}$ 的组成波波幅; $t_{0}$ 为聚焦时间; $x_{0}$ 为聚焦位置.

根据式(4)可以得出,在给定聚焦时间、聚焦位置时,影响畸形波波面 $η (x, t)$ 的波浪参数主要有 $f_{i} 、 a_{i}$ .其中, $f_{i}$ 根据计算工况选取, $a_{i}$ 取决于模拟畸形波的频谱类型.

本文采用李金宣^[17]改进的JONSWAP谱(NJS),频谱表示为

(5)$a_{i}=S_{a}\left(f_{i}\right)=\alpha \frac{S\left(f_{i}\right)}{\sum_{m=1}^{M_{f}} S\left(f_{m}\right)}$

式中: $f_{m}$ 表示每个组成波的频率; $α$ 为系数; $S (f)$ 为Goda^[18]提出的JONSWAP谱,

(6)

\begin{array}{l} S (f) = β_{J} H_{1 / 3}^{2} f_{p}^{4} f^{- 5} \times \\ e x p [- 1.25 (f / f_{p})^{- 4}] γ^{e x p [- (f / f_{p} {- 1)}^{2} / (2 δ^{2})]} \end{array}

式中:f为波浪频率;f_p为中心频率;H_1/3为波浪有效波高;β_J是形状参数,取值为0.86;γ为谱峰增强因子,取值为3.3;δ是峰形参数,当f≤f_p,δ =0.07;当f>f_p,δ=0.09.

通过上述方法,在给定聚焦波幅和有效波高时,可以得到畸形波时间历程曲线,如图1所示,生成的波列符合畸形波定义,和理论值的吻合较好.

图1

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图1 畸形波时间历程曲线

Fig.1 Time course curve of freak waves

2 计算模型建立与设置

2.1 收敛性验证

波浪数值模拟的计算精度和效率会受到网格尺寸和迭代时间步长的影响,较密的网格和较小的时间步长会提高计算精度,但同时也会大大降低计算速度,增加计算成本.为了获得最佳的网格尺寸和迭代步长,本文选取了波幅A=0.261 m,周期T=1.409 6 s,波长λ=3.3 m的规则波进行了网格收敛性验证和时间步长验证,如图2所示.设置模拟水池长度为10λ,宽度为2 m;水池左侧为速度入口,右侧为压力出口,出口处设置了长度为5 m的阻尼消波区域,以抑制反射波的影响.

图2

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图2 收敛性验证

Fig.2 Verification of convergence

根据波高的不同比例,选取网格的基础尺寸.分别在波高方向划分12、15、20、25、30、35、40个网格,进行7组不同尺寸的网格验证.各网格尺寸对应的误差如图2(a)所示,Δz为波高方向网格尺寸,该数据为统计35个波浪周期误差的平均值.随着基础网格尺寸的减小,模拟误差逐渐减小,当尺寸减小至波高的1/25时,误差的减小趋势不再明显.综合考虑计算精度与速度,确定网格基础尺寸为波高的4%(每波高划分25个网格).

为验证迭代时间步长对模拟精度的影响,分别选取了波浪周期的1/400、1/600、1/700、1/800、1/1 000、1/1 500、1/2 000 来进行验证.不同时间步长对应的误差如图2(b)所示,Δt为时间步长,可以看出模拟误差随着迭代时间的减小而不断减小,综合考虑下,选取1/1 000 的波周期作为波浪模拟的时间步长.

2.2 数值模型验证

为了验证波浪模型的准确性,根据上述收敛性验证的基础分别模拟了4组波幅为 0.032 4、0.086 4、0.140 4 和 0.195 0 m 的五阶Stokes波工况#1、#2、#3、#4与畸形波工况1、2、3、4.

各个工况的模拟时间均为20 s,时间步设置为 0.001 4 s,五阶Stokes波模拟的波面时间历程曲线如图3所示.从图中可以看出,4组波浪均能较好地模拟出理论波列,数值模拟值与理论值几乎重合,为畸形波的模拟奠定了基础.

图3

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图3 五阶Stokes波的波面时间历程曲线

Fig.3 Time course curves of fifth-order Stokes wavefront

畸形波的聚焦位置会对结构物受到的波浪载荷产生影响,且这种影响在深水条件下较为明显,而在浅水条件下可以忽略.一般来说,当畸形波聚焦位置位于结构物迎浪面前端时,产生的波浪力和波浪弯矩较大^[19].因此,本文将畸形波的聚焦位置确定在船首处.基于色散原理,将29组不同波幅、周期和相位的一阶波进行线性叠加,在指定的时间和位置生成了畸形波,详细波浪参数如表1所示.表中:[f_min, f_max]为频谱宽度.模拟20 s后波浪趋向稳定,逐渐收敛,对船舶安全航行的影响较小,因此主要探究前20 s船舶的运动情况与载荷影响.图4为4组不同波幅的畸形波波面时间历程曲线,可以看出,波面传播稳定,各工况下的理论波面与数值模拟波面几乎重合,模拟平均误差均小于0.2%,波峰放大效果如图5所示,最大波移动规律明显,满足线性机制聚焦生成畸形波的基本特征.

表1 畸形波参数

Tab.1 Parameters of freak waves

工况	M_f	[ f_min, f_max ] /Hz	t₀/s	x₀/m	A/m	H_s/m	模拟平均误差/%
1	29	[0.4, 0.7]	9	3.3	0.032 4	0.015 5	0.001 4
2					0.086 4	0.038 0	0.151 9
3					0.140 4	0.062 0	0.173 2
4					0.195 0	0.087 0	0.154 4

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图4

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图4 畸形波的波面时间历程曲线

Fig.4 Time course curves of freak wavefront

图5

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图5 波峰放大效果

Fig.5 Wave amplification effect

2.3 无人艇参数

以某型埋首式无人艇为研究对象,其首部集合了锥形船首与球鼻艏的优势,尖锐的首部设计有助于降低浪耗现象,使船体更容易穿越波浪;球鼻艏使波浪流经船首时产生分散和分割的效果,减少对船体首部的冲击,提高航行适应性.此外,倾斜型的船首型线使无人艇可以平稳地将波浪分割开,在一定程度上抑制了波浪的冲击力,提高船体稳定性,使无人艇能够适用于多种航行环境和任务需求.无人艇主尺度及相关参数如表2所示,模型外观如图6所示,中横剖面图^[20]如图7所示,图中数值为站号.

表2 无人艇主尺度

Tab.2 Main scales of unmanned ship

参数	取值
总长,L_OA/m	1.645 2
垂线间长,L_PP/m	1.600 0
船宽,B/m	0.232 2
型深,D/m	0.140 8
首吃水,d_F/m	0.086 8
尾吃水,d_A/m	0.086 8
干舷,F/m	0.054 0
湿表面积,A_W/m²	0.445 1
总表面积,A_O/m²	0.830 3
排水量,Δ/kg	9.131 0
重心纵向位置,x_G/m	4.153 0

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图6

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图6 无人艇模型外观

Fig.6 Appearance of the unmanned ship model

图7

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图7 无人艇中横剖面图^[20]

Fig.7 Medium cross-section of unmanned ship^[20]

2.4 计算域设置

计算域网格与边界设置如图8所示,坐标原点在与自由液面水平面相同的高度处,x轴正方向指向船尾,y轴正方向指向右舷,z轴正方向指向上方.本文只研究船舶顶浪时的运动,船体左右舷侧的运动响应一致, 因此可沿中纵剖面设置对称面,从而减少一半计算量,提高计算效率.所以,设置计算域的范围为 $0 \leq x / L_{P P} \leq 5,0 \leq y / L_{P P} \leq 1, - 2 \leq z / L_{P P} \leq 1 .$ 自由液面区域的网格按照收敛性验证得到的最佳网格尺寸设置,根据波高定义z方向的网格尺寸为 $1 / 25 H$ ,同时保证 $x 、 y$ 方向的网格尺寸小于 $z$ 方向网格尺寸的4倍;远离船体周围的背景域网格采用逐级扩大的方式设置.在船体周围建立随船运动的重叠区域(重叠网格的具体解释见文献[21]),重叠网格尺寸设置为相对基数的25%.结合DFBI方法,解决船舶航行时运动姿态变化过大的问题.船首处曲度变化较大,因此进行了局部网格加密,如图9所示.

图8

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图8 计算域网格与边界设置

Fig.8 Computational domain mesh and boundary settings

图9

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图9 船体网格设置

Fig.9 Hull mesh setup

船首处的边界条件设置为速度入口,船尾处设置为压力出口边界,对称面设置为对称平面边界,其余均为速度入口边界;并在压力出口设置1.2L_PP长的阻尼消波区域,减少波浪反射对计算区域的影响.

3 计算结果分析

基于前文模拟的波浪模型,为研究船舶在波浪环境下纵摇和垂荡两个自由度的运动响应及船首不同位置的载荷分布,在船首处设置了M1、M2、M3、M4这4个监测点,如图10所示,其相对水平面位置分别为 $0 F 、 - 0.6 F 、 - 1.1 F 、 - 1.5 F .$ 船首砰击监测点平面与来波的方向基本垂直,能够捕捉随波幅变化接触水体量的变化,为波浪砰击船体的强度研究提供了定量分析的依据.

图10

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图10 监测点示意图

Fig.10 Schematic diagram of monitoring sites

3.1 波浪载荷分析

在各测点处建立最大值报告,并设置场函数为压力,可以得到不同时刻的波浪载荷变化.其中,选取五阶Stokes波稳定后8~11 s内两个周期的载荷情况和畸形波聚焦时间9 s前后的两个载荷峰值进行对比,图11为各工况不同测点处波浪载荷峰值对比.可以看出,随着波高的增大,各测点处的压力均逐渐增大,这表明,船体承受的波浪载荷随着波高的增加而增大,更大的波高对船体结构强度的要求也更高.此外,波幅相等时,畸形波波面变化更为剧烈,但畸形波中无人艇各测点的载荷均小于五阶Stokes波中的载荷,出现这一现象的原因是无人艇球鼻艏对流经船首的波浪产生了分散和分割的效果,减少了波浪对船首的冲击,降低了船体受到的波浪载荷;此外,倾斜型的船首型线使无人艇可以平稳地将波浪分割开,减少波浪对船体的持续影响,在一定程度上抑制了波浪的冲击,提高了船体稳定性.

图11

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图11 各工况不同测点处波浪载荷峰值

Fig.11 Peak wave loads at different measurement points in each condition

五阶Stokes波作用下不同工况各测点的波浪载荷变化如图12所示,对比发现,不同工况各测点的载荷均随波高的增加而增大,两个周期的压力变化趋势一致,这表明无人艇在该波浪里呈周期性运动.从图中可以看出,M1、M2、M3、M4这4个测点处的压力值依次升高,且M4处的载荷最先增长,M1处的载荷变化最迟,这是因为4个测点沿首柱依次升高,M4位于最低处,最先监测到压力数值变化,而M1测点位于自由液面以上,只有当水体上升到该处才会产生波浪载荷;当水体散去,压力值的变化与升高时正相反,M1处的压力最先回归稳定,且波高越大,水体下降越快,压力减小得也就越快,如图12(d)所示.

图12

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图12 五阶Stokes波作用下不同工况各测点的波浪载荷变化

Fig.12 Variation of wave loads at each measurement point in different working conditions under the action of fifth-order Stokes wave

图13为无人艇在畸形波中4个测点处的波浪载荷变化.可以看出,此时波浪载荷随波高增加的变化趋势与五阶Stokes波相同,但其载荷峰值不仅没有在波浪聚焦时刻产生,而且形成了两个几乎近似的压力峰值,这是因为当波峰形成时,无人艇随水体运动首部被抬升,此时作用在4个监测点上的水体较少,对无人艇的载荷也较小;而两个压力峰值为无人艇刚到达波谷船首向上抬升的时刻,此时大量水体作用在首部,使测点处的载荷达到峰值,随着船体向上爬升,压力值也逐渐减小.此外,畸形波对无人艇的瞬态载荷影响更加复杂且具有随机性,导致船体承受更大的载荷变化,在实际海洋环境中对船舶航行安全的威胁也更大.

图13

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图13 畸形波作用下不同工况各测点处的波浪载荷变化

Fig.13 Variation of wave loads at each measurement point in different operating conditions under the action of freak waves

波浪模拟时,与畸形波峰值相邻的两个波谷在7.9 s和10.1 s生成,但图13(d)中4个测点处的载荷峰值在8.3 s和10.5 s左右才产生,载荷峰值产生是滞后的,这是由于畸形波与船舶的相互作用较强,船体运动响应需要更多的时间,同样的结论在Li等^[22]的研究中也得到证实.此外,在图13(c)和13(d)中,随着波幅增加,载荷曲线开始出现“双峰”现象,Liu等^[15]认为这种现象是由于水体的冲击与重力跌落形成的.

表3为不同工况下的载荷峰值与A=0.032 4 m 时的倍数关系对比.从表中可以看出,工况2、3、4各测点处的载荷峰值倍数均小于#2、#3、#4工况,尤其是工况4,此时波幅 0.195 0 m 为 0.032 4 m 的 6.018 5 倍,M2、M3、M4处均远小于该倍数,M1处较为接近,原因是随着波幅增大,作用到该处的水体增多,引起波浪载荷增大.

表3 不同工况下的载荷峰值倍数关系

Tab.3 Relationship between peak load multipliers in different operating conditions

工况	M1	M2	M3	M4
1	1.000	1.000	1.000	1.000
2	2.526	1.265	1.179	1.131
3	4.111	1.534	1.340	1.271
4	5.849	1.840	1.537	1.413
#1	1.000	1.000	1.000	1.000
#2	2.340	1.404	1.280	1.216
#3	3.751	1.849	1.601	1.472
#4	5.857	2.372	1.992	1.766

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对比上文可以发现,埋首式无人艇在畸形波环境中不仅各测点处的载荷峰值均小于五阶Stokes波,且随着波幅增长,无人艇受到的波浪载荷增幅较小,因此在畸形波下表现出了更好的适应性.

通过STAR-CCM+的可视化处理,可以清楚地看到船体表面的压力变化.图14为畸形波中不同工况的船体表面压力云图,对比发现,随着波幅增加,船首发生了明显的抬升;首部压力逐渐减小,压力峰值逐渐向船尾集中.

图14

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图14 畸形波中不同工况的船体表面压力云图

Fig.14 Cloud chart of hull surface pressure under different operating conditions in freak waves

3.2 总阻力分析

图15为不同波浪环境下的总阻力峰值对比.可以看出,总阻力随波高增加而增大,且畸形波下的阻力值总是大于五阶Stokes波环境.原因在于,虽然两种波的波幅相同,但生成机制不同,畸形波中相邻两个波的波幅变化较大,这导致了二者水动力学特性的差异.

图15

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图15 不同波浪环境下的总阻力峰值

Fig.15 Peak total drag in different wave environments

3.3 运动响应分析

图16为不同波浪环境下的无人艇运动响应峰值.如图16(a)所示,随着波高增加,两种波浪环境下无人艇的纵摇角度均增大,增长趋势明显.畸形波作用下,无人艇纵摇角峰值总是大于五阶Stokes波,因此,同等波幅下畸形波中的运动更加剧烈,在实际海况中,对无人艇航行安全及艇上布置设备的影响也更大.随着波幅增加,畸形波影响下的无人艇纵摇峰值增长幅度较大,两种波浪环境的纵摇差值有增加趋势,在更大的波幅下,无人艇在畸形波中将会产生更大幅度的纵摇.如图16(b)所示,无人艇在两种波浪中垂荡的变化趋势相同.在畸形波中的垂荡峰值较大,垂荡趋势更加显著.这意味着在同等波高环境下,无人艇遭遇畸形波时不仅使船体发生更大幅度的抬升,还会发生大角度的纵摇,既严重威胁航行安全,又是艇上安装的各类装置的极大隐患.

图16

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图16 不同波浪环境下的无人艇运动响应峰值

Fig.16 Peak motion response of unmanned boat in different wave environments

此外,对比图16中畸形波时无人艇的纵摇、垂荡峰值可以发现,垂荡与纵摇运动峰值与畸形波的聚焦幅值呈线性关系,这与Liu等^[23]提出的波高越大,船舶运动响应越剧烈的结论一致.A=0.086 4 m 时的船舶运动响应如图17所示.等波高时,无人艇在畸形波波峰处的纵摇大于五阶Stokes波,摇荡更为剧烈,发生了更明显的垂荡运动,在5~10 s时畸形波下的运动响应曲线与波浪波面时间历程曲线在变化趋势上基本一致.

图17

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图17 波幅为0.086 4 m时的船舶运动响应

Fig.17 Ship motion response at a wave amplitude of 0.086 4 m

图18为在空气体积分数函数下畸形波波峰时刻的无人艇运动情况.在波幅 0.140 4 m 与 0.195 0 m 的畸形波作用下,船首被抬升,但并未发生明显的上浪现象.原因主要在于球鼻艏对波浪的分割作用,此外,首柱角较小为115°,符合陈淑玲等^[24]对比的高速水面无人艇首柱角为105°~135° 的耐波性能.

图18

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图18 在空气体积分数函数下畸形波波峰时刻的无人艇运动情况

Fig.18 Motion of unmanned boat at the peak moment of freak wave using the air volume fraction function

4 结论

本文通过对埋首式无人艇在不同波浪环境下的数值模拟结果进行对比分析,结合STAR-CCM+对船体表面压力进行可视化处理的结果,可以得出以下结论:

(1) 本文使用的NJS模型能够模拟出理想的畸形波,两种波浪环境的对比可以得出无人艇在不同波浪条件下的运动特征.

(2) 无人艇在畸形波与五阶Stokes波下的波浪载荷均随波幅增加而增大,首部压力逐渐减小,载荷峰值趋向船尾.在畸形波中,无人艇各测点处的载荷峰值更小,峰值增幅也更小,船首优良的船型特征在一定程度上抑制了波浪对结构的冲击,对提高船体安全性起到了重要作用;此外,各测点处载荷峰值的产生是滞后的,船体运动响应需要更多的时间.

(3) 随着波幅增加,两种波浪环境中无人艇的纵摇角度均增大,增长趋势明显.在畸形波作用下,无人艇的纵摇、垂荡幅度更大,纵摇与垂荡峰值和畸形波的聚焦幅值呈线性关系,波高越大,船舶运动响应越剧烈.

本文研究并总结了埋首式无人艇在五阶Stokes波与畸形波中多工况的水动力性能,分析了畸形波对无人艇运动响应的显著影响,以期为无人艇在工程中的应用和畸形波与结构物的相互作用研究提供技术支持.在后期的研究中,还可以考虑无人艇在三维畸形波环境中的波浪载荷影响及运动响应预报等.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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HAVER

Freak wave event at Draupner jacket January 1 1995

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URL [本文引用: 1]

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DIDENKULOVA

, DIDENKULOVA

, MEDVEDEV

Freak wave events in 2005—2021: Statistics and analysis of favourable wave and wind conditions

[J]. Natural Hazards and Earth System Sciences, 2023, 23(4): 1653-1663.