潜浮式无人船多工况阻力试验与数值模拟研究

侯远杭，安广硕，苏琳芳，梁 霄，姜胜超

（1.大连海事大学船舶与海洋工程学院辽宁大连， 116026；2.大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连 116024）

0 引 言

半潜式无人航行器是一种主船体在水下、只有小部分平台结构露出水面[1]、在自由液面下一定深度潜伏航行的新式航行器[2]。与普通的水面航行器相比，半潜式无人航行器的主船体能规避波浪的影响，大大减小船体的兴波阻力[3]，避免了波浪对主船体砰击造成的船体结构损伤等问题。

文献[4]提出了一种主船体加翼型浮箱的半潜式无人航行器设计，并通过CFD 方法进行了数值模拟，分析了船型优化的问题。该半潜式无人航行器翼型浮箱顶部露出水面，安装通讯导航设备，并为船体提供储备浮力和恢复力矩。

潜浮式无人船是基于半潜式无人航行器的原理开发的一种高性能新概念船型，具有跨潜深航行的能力[5]。在水面低速航行时，能减少水下航行时大湿表面积引起的较大的摩擦阻力；当海况恶劣时，其可以潜到一定的深度，避免受到海面汹涌海浪的影响[6]。完全浸没潜深工况下该型船能避免船体在波浪上剧烈摇荡引起的砰击，降低船体结构的偶然载荷[7]，也能避免因螺旋桨出水引起的飞车现象，能够改善船舶的航行性能。并且由于具有良好的隐身性，潜浮式无人船在科学研究、商业活动和国防等领域获得了较高的关注[8]。

近年来北极航线成为国际航运业的热点，据资料统计，北冰洋的海冰平均厚度约为3 m，总体上10月份海冰重新结成，4月份开始融化[9]；“东北航道”沿线水域夏季近岸侧冰量较少，且硬度和厚度明显降低，可以满足通航要求，并且商业化航行的条件比较成熟。潜浮式运输船如果应用于北极航线，在航行时遇到浮冰可以潜至浮冰以下航行，较普通船舶而言，受季节限制较小，无需破冰船辅助，也降低了航运成本，具有很大的研究潜力。

文献[10]提出了一种由主船体、一对主翼和一对水平尾翼组成的潜浮式无人船，如图1 所示。并通过直线拖曳试验和圆周运动试验分析了船模在各种垂直和横向运动条件下的水动力特性，验证了该船型配置的可行性，值得进一步研究。文献[11]中提到了一种已经投入使用的潜浮式运输船，如图2所示，该船在潜伏航行时几乎无法被雷达、声纳等监测到，并且建造成本比潜艇低，可以应用于军事行动或执行特种运输任务。

图1 潜浮式无人船[10]Fig.1 Semi-submersible unmanned vehicle[10]

图2 潜浮式运输船[11]Fig.2 Semi-submersible transport ship[11]

本文针对一种潜浮式无人船的多航行工况开展阻力性能试验，并通过STAR-CCM+对船模的阻力进行数值模拟，对各航行工况下不同航速试验与计算的阻力结果以及该船模的水动力学性能进行分析。

1 船模阻力试验

1.1 船模参数

本研究只考虑该型潜浮式无人船主船体的阻力，忽略附体对阻力的影响。试验船模的主尺度及相关参数如表1所示。

表1 试验船模参数Tab.1 Principal dimensions of the experimental ship model

本船模采用数控加工设备加工制作完成，船模加工精度符合ITTC 要求，模型加工完成后在平台上勘划水线.船体模型整体和局部外观如图3所示。

图3 船体模型外观Fig.3 Appearance of the ship model

1.2 试验结果

该试验测试不同潜深情况下的模型阻力，每种潜深情况下测试速度为0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.1 m/s、1.2 m/s、1.3 m/s、1.4 m/s、1.5 m/s、1.6 m/s 和1.7 m/s 的静水阻力。对应的Fr范围是0.1010～0.4291，Re的范围是0.5284×106到2.2459×106。工况0#到5#对应的潜深分别为0 m、0.054 m、0.32 m、0.48 m、0.64 m 和0.96 m，如图4所示。

图4 各潜深工况示意Fig.4 Cases of each submergence depth

拖曳试验现场如图5 所示，可见0#与1#工况具有明显的兴波特征，且符合常规水面船舶兴波幅度随航速的变化特点，其他工况均为水下潜航，船体周围流场变化无法通过现有仪器与技术手段精确观测，可根据阻力变化特点与后续数值计算予以分析。

图5 拖曳试验现场照片（工况0#～5#）Fig.5 Towing test site(Cases 0#-5#)

通过对船模进行各潜深情况下不同速度的拖曳试验，得到了该潜浮式无人船模型的阻力试验结果，如表2所示。

表2 无人船阻力试验结果Tab.2 Unmanned ship resistance test results

2 计算模型的建立与设置

利用对称性，只考虑半个船体的流场，可以节约资源提高计算效率。计算域范围由船首向前延伸1 倍船长，由船尾向后延伸2 倍船长；由船体中纵剖面向左延伸2 倍船长；垂直方向由水线面向上延伸1倍船长，向下延伸2倍船长。

网格分布应该做到稀疏合理，既要保证计算结果的精度，又要提高计算的效率。流场边缘受船体运动影响很小，网格稀疏。船体附近的参数变化很大，网格较密。对船体艏艉型线变化较大处的网格进行加密。0#和1#工况下，为了捕捉自由液面处的兴波，要对自由液面附近的网格加密，加密厚度随速度升高而增大。0#网格数约为65 万～115 万；1#网格数约为75 万～170 万。完全浸没潜深工况（2#～5#）不受兴波阻力，无需对自由液面网格加密，网格数约为35万。

图6所示为0#、5#工况下航速为1.0 m/s时网格的对比图，图7为0#工况下艏艉网格加密图。

图7 0#工况下艏艉网格加密Fig.7 Mesh encryption of bow and stern at Condition 0#

3 计算结果分析

3.1 阻力分析

通过在STAR-CCM+中对各个潜深情况下不同速度的阻力进行数值模拟，得到了该型潜浮式无人船的阻力计算结果，如表3所示。

表3 无人船阻力计算结果Tab.3 Unmanned ship resistance calculation results

各工况下阻力计算结果与试验结果对比如图8 所示。可以看出在STAR-CCM+中数值模拟的结果与试验值较为接近，趋势一致；0#和1#下由于船体兴波情况复杂且随机性强，计算结果与试验结果的偏差较大；完全浸没潜深工况（2#～5#）下采用更加细致的边界层计算方法，阻力计算结果与试验结果基本一致，绝大部分偏差都能控制在10%以内。总体来看，采用本方法进行数值模拟具有可行性。

图8 各工况下阻力试验与计算结果对比Fig.8 Comparison of resistance between test and calculation results under various working conditions

将上述阻力计算结果与2.3节中阻力试验结果分别绘制成曲线，如图9～10所示，对各个潜深工况不同速度下该型潜浮式无人船的阻力做出如下分析。

图9 阻力计算结果Fig.9 Resistance calculation result

图10 阻力试验结果Fig.10 Resistance test result

在同一潜深工况下，随着航速的增大，船体表面切应力增大，摩擦阻力增大。在完全浸没潜深工况（2#～5#）下，浸没的深度越小，船体表面与自由液面间的流体受挤压程度越高，流速越大，船体所受摩擦阻力越大；并且根据史密斯效应，波浪引起的压力变化随水深呈指数衰减。所以在航速较低（v＜1.4 m/s）时，船体兴波不明显，2#～5#间阻力差异不大；当航速较高（v＞1.4 m/s）时，2#与3#间总阻力相差10%～20%，3#与4#间总阻力相差5%～10%，而4#与5#间总阻力相差小于3%，可以看出在5#的潜深范围，自由液面的波浪对船体附近流体的影响甚微。所以整体来看，当达到一定潜深后，船体所受总阻力变化并不显著。

水面航行工况（0#）下湿表面积较其他工况小，因为航速较低时兴波阻力不大，所以0#的总阻力比其他工况小；而航速较高时，兴波阻力成为阻力的主要组成部分，导致总阻力迅速增大。

边缘潜深工况（1#）下，湿表面积与完全浸没潜深工况（2#～5#）差异不大，航速较低时兴波阻力较小，所以总阻力与完全浸没潜深工况接近；而航速较高时，兴波阻力成为阻力的主要组成部分，并且波浪对船体上表面具有强烈的砰击作用，总阻力增幅显著。

3.2 兴波分析

通过监测潜浮式无人船在水面航行工况（0#）下船体附近自由液面的高度，可以分析航行过程中船体的兴波形况。图11为0#工况下不同航速时船体周围的兴波情况。

图11 0#工况不同航速下船体兴波Fig.11 Wave making of hull in different speeds at 0#

可以看出，在低速航行时，船体左右两侧兴波不太明显，船艏部的自由液面无明显的升高。随着航速的提高，船体周围兴波现象逐渐显著，船体艏艉驻点兴波作用最强，波峰显著增高，船艏产生明显的上浪，船艉后自由液面也有明显升高。图12所示为航速为1.7 m/s时艏艉的自由液面。从能量观点来看，船体必须提供兴波的波能，即克服兴波阻力作功。随着航速的提高，船行波的波宽和波高显著增大。而波能和波高的平方与波宽成正比，所以兴波阻力随航速的增加而迅速增加。

图12 v=1.7 m/s时艏艉自由液面Fig.12 Free surface of the bow and stern when v=1.7 m/s

水面航行工况（0#）和边缘潜深工况（1#）下，高速航行时，艏艉驻点附近兴波最强，自由液面最高，船体中部自由液面下降，产生一个明显的凹陷。并且边缘潜深工况（1#）下船体中后部波浪不连续，流体运动紊乱。图13所示为1#工况下航速为1.7 m/s时船体中后部自由液面下的兴波情况。

图13 1#工况下v=1.7 m/s时船体兴波Fig.13 Wave making of hull when v=1.7 m/s at 1#

3.3 压力分析

通过STAR-CCM+对船体周围流场进行可视化处理，可以直观地反应船体表面压力分布情况。对比水面航行工况（0#）和边缘潜深工况（1#）不同航速下的压力云图可以发现，在航速低于1 m/s 时，由于没有产生剧烈的兴波，船体表面的压力分布在水线以下随深度的增加而均匀增大。图14所示为0#和1#工况下航速为0.8 m/s时船体表面压力云图。

图14 v=0.8 m/s时船体表面压力云图Fig.14 Hull surface pressure cloud map when v=0.8 m/s

在航速较大时，由于产生剧烈兴波，船艏自由液面高度升高，船中部自由液面产生凹陷，所以船艏自由液面附近压力增大，船中自由液面附近压力降低；并且船体球艏部分形成驻点，在驻点处，由于流体的动能转化为压能，导致该处压力最大。船艏和船中之间存在的流体动压力差也造成了阻力的增加。图15所示为0#和1#工况下航速为1.7 m/s时船体表面压力云图以及球艏压力云图。

图15 v=1.7 m/s时船体表面压力云图Fig.15 Hull surface pressure cloud map when v=1.7 m/s at 0#and 1#

在浸没潜深工况（2#～5#）下，由于无兴波现象，所以船体表面压力随深度的增加而均匀增大，但是船艏艉流体动压力差相差不大，所以航速相同时，各浸没潜深工况之间阻力相差较小。图16 所示为2#和5#工况下速度为1.7 m/s时船体表面压力云图。

图16 v=1.7 m/s时船体表面压力云图Fig.16 Hull surface pressure cloud map when v=1.7 m/s at 2#and 5#

3.4 船体表面流场分析

通过STAR-CCM+对船体周围流场进行可视化处理，可以直观地反应船体表面流线的分布情况。对比水面航行工况（0#）和边缘潜深工况（1#）下不同航速的流线图可以发现，船舶低速航行时船体表面流体质点的运动较为均匀、稳定；高速航行时船体表面流体质点运动逐渐紊乱，形成非常明显的漩涡，并且随着速度的增加流场的紊乱程度逐渐增加。由于船体需要不断地为艉部形成的漩涡提供能量，这部分的能量耗散便以粘压阻力的形式表现，所以随航速提高粘压阻力也逐渐增大。图17 所示为0#和1#工况下速度分别为0.4 m/s、1.7 m/s 时船体表面流线分布图。图18 所示为1#工况下航速为1.7 m/s时船艏和船艉流线分布图。

图17 0#工况船体表面流线图Fig.17 Hull surface streamline at 0#

图18 1#工况v=1.7 m/s船艏船艉流线图Fig.18 Bow and stern streamline when v=1.7 m/s at 1#

图19 为1#工况下航速为1.7 m/s 时船体中纵剖面速度分布图和水的体积分数图，结合图13 可以看出，在该工况下船体上浪严重，整个船体被湮没，流体对船体的作用剧烈且随机性很强；由于船艉型线变化较大，增加了该处流场的复杂程度，流体分离严重，在该区域内流体的速度变化非常明显。

图19 中纵剖面图Fig.19 Mid-length section

在完全浸没潜深工况（2#～5#）下，船体表面流体质点运动均匀稳定，随航速的增加无明显的紊乱现象。图20所示分别为5#工况下航速为0.4 m/s和1.7 m/s时船体表面流线分布图，可以看出在浸没潜深工况下，即使航速显著提高，船体表面的流体质点运动仍十分均匀，没有形成明显的漩涡，所以粘压阻力也较小。

图20 5#工况不同航速时流线图Fig.20 Streamlines in different speeds at 5#

4 结 论

本文通过对潜浮式无人船多工况阻力试验与数值模拟结果进行对比分析，结合STAR-CCM+对船体周围兴波、船体表面压力以及船体附近流场进行可视化处理的结果.可以得出以下结论：

（1）低速航行（v＜1.4 m/s）时，水面航行工况（0#）下的湿表面积较其他工况小，摩擦阻力较小；并且船体附近无明显的兴波现象，兴波阻力不大，波浪对船体的砰击也较弱。所以0#工况的总阻力与潜深工况（1#～5#）相比稍小，但无较大差异.所以在平静的海面低速航行时，各航行工况的阻力差别不显著，可根据具体情况选择不同的航行工况。

（2）高速航行（v＞1.4 m/s）时，水面航行工况（0#）和边缘潜深工况（1#）船体兴波明显，船艏产生明显的上浪。1#工况下船体被波浪湮没，波浪对船体的作用剧烈且随机性很强，随航速增加兴波阻力迅速增大，成为阻力的主要组成部分。

（3）完全浸没潜深工况（2#～5#）下，船体不受兴波影响，总阻力较小。低速航行时各工况间阻力差异不大；高速航行时，2#工况下船体受自由液面波浪影响比其余工况大，总阻力较大；在达到一定潜深范围后，自由液面的波浪对船体的影响不大，船体所受总阻力差异并不显著。所以在平静海域高速航行时，应选择航行阻力最小的深潜工况。在恶劣海况下航行时，为了避免船体因波浪剧烈砰击引起的偶然载荷，以及因螺旋桨出水引起的飞车现象，应选择完全浸没潜深工况（2#～5#），以改善船舶的航行性能。

本文研究并总结了潜浮式无人船在静水中多工况的水动力性能，可为该船型在工程中的应用提供技术指导和支持。在进一步的研究工作中，还可以考虑以下问题：潜浮式无人船多工况下所受侧向力、升力、偏航力矩、纵倾力矩等随潜深和航速变化的规律;为了更加贴近实际的航行环境，考虑波浪的影响，研究潜浮式无人船多工况水动力性能。