0 引言

水面无人艇是无人武器装备体系中的重要组成部分，在未来水面无人作战领域高技术条件下的海战中有着广泛的用途，已经成为武器装备的发展趋势之一。由于水面无人艇搭载的各种灵敏传感器等装备需要一个较为稳定的平台才能完全发挥出其最佳性能，而中远海海域的水面环境与沿海遮蔽海域相比，有着更复杂的风、浪等恶劣的航行环境，水面无人艇急需一种能在恶劣海况下伴随大型水面舰艇航行的新船型。

滑行艇在波浪激励作用下除正常的垂荡、纵摇与横摇运动外，还可能发生非线性特征较强的砰击、上浪以及喷溅现象，这种程度剧烈、非线性特征明显的运动，为耐波性的数值模拟与分析造成了很大的难度。IKEDA 等人^[1]用综合了试验方法与数值的方法，针对棱柱形滑行艇在规则与非规则波浪下的耐波性能进行了预报，并分析了附加质量和阻尼系数对运动幅值的非线性影响，将耐波性试验中测得的水动力系数与非线性效应数值预报方法的结果进行了比较，两者吻合较好。这表明可以对船舶的非线性运动的数值模拟具备较高的精度。在滑行艇的非线性特征面，AZCUET 等人 ^[2]基于自由面 RANS 方程对滑行艇的阻力性能进行了数值预报，他们的结果表明针对船舶在波浪条件下的非线性运动的数值预报具备了较高的精度，证明该方法适用于预报滑行艇在波浪中的剧烈响应。

2014 年，BEGOVIC 等人 ^[3-5] 对波浪中滑行艇的运动响应进行了研究，得到了滑行艇在规则波和不规则波中运动响应的幅值，并与相应的试验数据进行了对比。采用威布尔分布分析模型在不规则波下的运动响应，特别是与重心加速度的关系。由于针对不规则波中航行更接近实际海况中的航行状态，其研究更能反映实际的航行情况。

除滑行艇在航行中的快速性与耐波性等水动力性能的预报以外，滑行艇在航行中可能出现的不稳定运动也是近年来研究的重点与难点之一。朱鑫、段文洋等人 ^[6-8] 针对滑行艇在规则波浪中的运动响应进行了时域与频域方面的分析，以及在迎浪运动中可能出现的砰击现象线性进行了研究。李亚军^[9]于 2012 年应用 2D+T 法针对滑行艇纵向不稳定运动进行了分析。数值预报了滑行艇发生海豚运动，伴随强迫振荡时的阻尼系数与附加质量，且与相应的试验数据进行对比，精度较高，具备足够的可靠性。

对此，本文提出了一种变结构滑行艇新船型，变结构滑行艇在常规单体滑行艇基础上，增加可自由收放的片体，通过改变两侧片体与中心体之间的间距来兼顾快速性和耐波性，为分析变结构滑行艇设计对艇体横向稳定性的优化效果，数值模拟滑行艇约束横倾航行与斜浪航行，预报片体在约束横倾中所提供的横向力矩。分析了片体对滑行艇固有横摇周期的影响，数值预报片体在斜浪航行中减横摇效果。

1 变结构滑行艇艇型设计

1.1 变结构滑行艇单体形态设计

综合分析单体滑行艇、高速多体船等艇型的特点，得到变结构滑行艇初步艇型设计方案，使其能够通过自主收放两侧片体实现变形，得到高速低阻的单体形态和高耐波的三体形态，可根据海况在单体与三体形态之间自由转换。

滑行艇主艇体主尺度和如表1 所示。

1.2 变结构滑行艇三体形态设计

为实现滑行艇单体与三体形态转换，在主艇体两侧增设可以收放的片体。片体与滑行艇主艇体刚性固定，在释放到极限位置后片体参与排水，片体设计为长宽比较大的类船型。片体设计如图2 所示，片体尺度如表2 所示。

变结构滑行艇两侧片体释放后转化为三体形态，三体形态下片体的布局参考了卢晓平等 ^[10-12] 针对高速三体船片体布局优化的研究结果，并综合考虑片体收放装置强度以及重心设计等因素。片体布局以及其相对主艇体 3 个方向的偏移如图3 与表3 所示。

2 变结构滑行艇横向稳定性的数值分析

变结构滑行艇正常航行过程中，不可避免地遭遇斜浪。滑行艇由于自身耐波性较差，在斜浪航行中需要保持较低的航速与较小的浪向角以保证正常作业与航行安全。为分析片体在斜浪航行中对滑行艇横摇运动的影响，对变结构滑行艇 2 种形态在不同波长，波高以及浪向角中的斜浪航行进行数值模拟并分析其运动响应与片体的减摇效果。

本章采用商用 CFD 软件 STAR-CCM，基于 RANSE 方法，SST k–ω 湍流方程计算艇体周围流场，采用 Volume of Fluid method（VOF）方法模块以实现对自由液面的捕捉，使用 6–DOF 求解器以及重叠网格方法对滑行艇的姿态进行模拟与求解。

2.1 网格无关性分析

为验证网格尺寸对数值结果精度与收敛性的影响，本节所采用的试验模型及试验数据来自于沈海龙等人^[13]于 2011年进行 USV01 滑行艇模型的水动力试验。

本节选择了 3 种网格参数进行对比分析，针对不同的网格加密方式进行修改，对网格的尺寸依照船长进行了无因次化处理，以使结果更具有普遍性。3 种网格参数的设置如表4 所示。

采用这 3 种网格对 USV01 以 8 m/s 航速静水直航进行模拟，预报 USV01 的阻力、纵倾与升沉，以进行网格无关性分析。

网格 1–3 对船体附近区域与自由液面附近 2 个加密区域均进行加密，且网格尺寸减小，本节中的 CFD 检验基于 ITTC 的推荐流程，模拟中针对滑行艇的艇体表面与加密区域内采用切割体网格进行加密。生成网格后，艇体周围与自由液面的网格如图4 所示。3 种网格针对阻力、纵倾与升沉的数值结果与试验结果的对比如表5 所示。

在网格 1–3 中，由于对必要加密区域进行了网格加密，3 种网格加密的方案均能保证数值结果的正常收敛，但数值结果的精度存在差异。其中网格加密最精细的网格 1 方案对应的阻力的数值结果与试验结果对比的误差为 2.71%，按照 ITTC 会议规定，包括滑行艇在内的高性能船舶的数值预报误差应控制在 10%以内，所以网格 1 的加密方案能够保证数值模拟的精度。后续数值预报中网格的加密方案均基于网格 1。

2.2 变结构滑行艇斜浪航行的数值模拟

在斜浪航行的数值模拟中，数值水池计算域的边界条件与消波区域与迎浪航行数值模拟的设置存在一定差异。由于规则波浪从滑行艇正前方与右侧的边界不断流入，并从正后方与左侧的边界不断流出，所以边界条件的定义发生了一定变化，计算域大小与边界条件的定义如图5 与表6 所示。

浪向角 β_w 为 60°，U=2 m/s，H=50 mm，λ/L=2 的规则波浪，其自由液面的数值模拟示意图如图6 所示。

为分析单体与三体滑行在不同波长不同浪向角下的横向稳定性选取了 U=2 m/s，H=50 mm，波长为 1.5~4 L 的规则波进行数值模拟，选择了 3 种浪向角（β_w）分别为 30°，45°以及 60°，滑行艇模型参考真实的斜浪航行，开放垂荡，纵摇与横摇 3 个自由度，并对滑行艇 3 个自由度上运动响应的时历曲线与幅值进行数值预报，规则波浪参数如表7 所示。

2.3 片体对滑行艇横向稳定性的数值分析

滑行艇的三体形态的横摇周期明显小于滑行艇单体形态，这表明随着滑行艇形态的改变，变结构滑行艇 2 种形态在不同波浪中的运动响应变化趋势与共振区域也随之改变，本节应用数值方法分析片体对滑行艇斜浪航行中运动响应的影响。3 种不同浪向角下两种滑行艇的运动响应幅值对比如表8，图7–9 所示。

片体在滑行艇发生横倾时能够提供大量的横向力矩作为横摇阻尼，在斜浪航行，片体对滑行艇横摇产生的影响非常明显。首先是横摇运动共振区域的不同，由于滑行艇的三体形态的固有横摇周期小于单体形态，滑行艇在横摇运动中发生共振现象的必要条件是遭遇频率与滑行艇固有横摇频率与遭遇频率相近，滑行艇的三体形态横向阻尼大幅增加，固有频率的增加必然导致横摇运动共振区域向短波长的方向移动。滑行艇单体形态共振区域对应的波长为 3 L，转换为三体形态时共振区域对应的波长移动至小于 1.5 L 处。

如图8–10 所示，片体对滑行艇横摇的幅值影响随波长变化存在一定差异，在到达滑行艇单体形态共振区域之前的短波长波浪中（λ/L≤2），滑行艇横向上的遭遇频率大于单体形态固有横摇频率，共振现象没有发生所以横摇幅值减小。在相同的短波长波浪中，由于滑行艇的三体形态自身横摇周期更小，所以在 λ/L≤2 的波浪中，由于其更接近其共振区域，虽然与滑行艇单体形态遭遇的波浪激励相同，但横向的强激励被激发，所以在短波长波浪中，滑行艇的三体形态的横摇幅值略大于滑行艇单体形态。

当滑行艇遭遇波浪的波长为 3 L 时，滑行艇的三体形态横摇的幅值远小于在相同波浪的滑行艇单体形态。由于滑行艇在斜浪中横向的强激励作用被激发，滑行艇发生大幅度横摇运动。在激励相同的情况下，片体所提供的横向力矩作为横摇阻尼，使强激励难以改变滑行艇原有姿态，从而减小滑行艇三体形态横摇的幅值，同时由于滑行艇三体形态固有横摇周期的减小，使此时遭遇频率小于固有横摇频率，共振现象的减弱进一步减小了横摇运动的幅值，在二者联合作用下片体能够实现在斜浪航行中减少滑行艇横摇的效果。在 β_w=60°，λ/L=3 时，片体最多能减少 70.45%的横摇幅值。随着波长的继续增加，滑行艇越过共振区域，横摇峰值下降，但滑行艇的三体形态的横摇幅值依旧小于单体形态，但减摇效果并没有共振区域明显。

3 结束语

本文主要内容为数值分析变结构滑行艇在波浪环境中的横向稳定性。采用数值模拟方法，预报滑行艇单体与三体形态在约斜浪航行中的运动响应与，结果表明：滑行艇在斜浪运动中发生横摇时，片体所提供的横向力矩作为横摇阻尼能够大幅减少滑行艇的横摇幅值，片体的减横摇效果在单体形态的共振区域内最明显，并且随着浪向角的增加，片体的减摇效果会变得更加明显，在 β_w=60°片体最多能减少 70.45%的横摇幅值。

参考文献