Chinese Journal of Ship Research
规则波中无人艇回收的水动力性能分析
13.363 m，而本文建议使用的等效初稳性高计算4.193 m，相差3结果仅为 倍，横摇周期计算结果相差较大。
4结论
本文基于船舶运动微分方程，分析了现有横3摇周期计算方法的缺陷与不足，并通过 艘典型样船，验证了建议方法的准确性以及便捷性。基2于 种横摇周期计算方法编写对应的程序，对样船进行了计算，通过对综合计算结果的分析，得到如下几点结论： 1）通过原理分析以及样船计算，发现现有横摇周期计算方法没有考虑GZ曲线的非线性影响，当船舶GZ曲线的非线性特征明显时，使用现有方法计算得到的横摇周期不够准确，建议使用修正的横摇周期计算方法。2 ）现有的横摇周期计算方法会影响瘫船稳性等失效模式薄弱性评估结果的准确性，建议使用修正的横摇周期计算方法，通过迭代来对横摇幅值进行计算。3）船舶在海面上航行时，利用修正的横摇周期计算方法可以更加准确地计算船舶处于不同横摇角所对应的横摇周期。
参考文献：
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摘 要：［目的］小艇回收过程是典型的多体相互干扰的动力学问题，纵向滑道回收是常用的回收方式，小艇在大船尾流中快速运动冲向艉部捕捉装置时，受到大船的尾流影响，可能会出现倾覆的危险。［方法］采用粘性流
数值波浪水池、重叠网格和六自由度运动等技术，以响，最终导致倾覆现象的发生。
为母船，模拟
型无人滑行艇（以下简称无人艇）快速接近母船过程中的干扰运动。计算分析无人艇在波浪中的运动特性，在此基础上开展波浪中小艇在大船尾流中的运动仿真。［结果］计算结果与试验结果的比较表明计算方法可靠。仿真计算结果表明小艇受大船尾流的影响较为明显。［结论］当小艇运动方向不在大船尾流正中心时，小艇的纵倾和横摇会受到显著影
1 430074华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉2 200240高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海3 430074船舶与海洋工程水动力湖北省重点实验室，湖北 武汉4 430064中国舰船研究设计中心，湖北 武汉
0引言
舰船上的小艇是舰船作战的重要补充，现存3种：1）特制的回收装的小艇释放和回收方法有置，比如最常见的吊臂结构；2）垂直投放系统；3） 3艉滑道式小艇收放系统。其中，第 种收放方法具有稳定性好和效率高等优点［1-2］。在实际作业中，无人艇执行任务后，会在母船尾流中以不同的方向和速度运动，最终被母船艉部的滑道装置回收。目前，国际上预报高速艇在波浪中纵向运动3种：1）对切片法进行湿表面积的方法基本上有变化修正的方法；2）采用Wanger水动力冲量理论的切片方法；3）最近开始研究的直接求解方法， CFD即 仿真。切片法的核心是平面流动假设，不考虑高速纵向流动引起的动升力（或动力矩）。而高速无人艇在顶浪航行时动升力的影响不可忽2略，故前 种方法不能准确预测高速无人艇在波浪中的运动，CFD仿真是较优的选择。CFD对于三维 方法，利用基于雷诺平均的Navier-Stokes方程对流体域中流体的运动进行离散求解，即可对无人艇的运动进行数值仿真。与此同时，一系列由前人得到的无人艇水动力性能CFD仿真奠定了基础。例如，Clement试验数据为62等［3］对美国 系列滑行艇进行了静水阻力试验， Fridsma［4］研究了波浪中滑行艇的水动力性能。两者都研究了具有不同横向斜升角和长宽比的滑行艇的水动力性能。数值波浪水池技术、重叠网格技术和六自由度运动模型是对波浪中无人艇运动进行数值仿真的关键技术。学者们利用这些技术对无人艇水动力性能开展了大量的研究。曹洪建［5］利用商业软FLUENT件 对滑行艇在静水中的直航运动进行了数值模拟，并将结果与试验值比较，验证了利用FLUENT软件研究滑行艇运动、计算研究阻力性［6］能的可行性。苏玉民等 针对波浪中滑行艇水动力性能预报的不足，提出一种基于六自由度运动模型的滑行艇水动力性能预报方法，实现了其在波浪中自由运动的水动力性能预报。董文才等［7］分析了现有滑行艇纵向运动理论预报方法的不足，根据滑行艇的艇型特点以及模型静水阻力试验和规则波、不规则波的试验结果，提出了滑行艇纵向运动的基本假设。大船尾流对无人艇在波浪中运动的干扰，本质上是多体干扰问题。基于无人艇在规则波中运动的研究，学者们对其在大船尾流中的运动进行
了仿真研究。Nam等［8］提出一种基于三维势流求解器的时域数值方法，研究了运动船只对码头边系泊驳船运动的影响。Kashiwagi等［9］研究了相邻两个浮体之间的水动力相互作用。Castro等［10］利用计算流体和多体干扰的求解器进行隐形耦合，研究了母船释放和回收无人潜航器的整个过程。但是，之前的研究多限于两船并行，对于航行器前后航行时两者之间由于流体压力传递而导致的影响研究较少，这是由于之前的海上作业中利用艉滑道装置回收无人艇的应用不够广泛，同时，大小相仿的船只前后航行时，两者之间的影响可忽略。实际上，在研究母船尾流对小尺度无人艇运动的影响时，CFD 仿真相当重要。小艇在大船尾流中快速运动冲向艉部捕捉装置时，由于运动方向和速度大小的不同，在受到尾流影响时可能会出现倾覆危险。为此，本文拟利用数值波浪水池、重叠网格、六自由度运动等技术研究无人艇在规则波中回收的水动力性能，对无人艇沿大船尾流中心线和偏离尾流中心线这两种运动情况进行CFD仿真，对比无人艇阻力、侧向力以及纵倾角、横摇角等航行姿态的变化，识别可能发生的倾覆风险，以便对实际作业中无人艇的运动控制提出建议，为后续进一步的研究奠定基础。
1 计算模型1.1 控制方程和流体体积法
绕船流体的基本控制方程是三维连续方程和动量方程。不可压缩流体的连续性方程为¶u + ¶v + ¶w =0 （1） ¶x ¶y ¶z式中， u ，v，w为质点速度 在 x y z三个方向的分量。Navier-Stokes方程为dv = - 1 Ñp + υÑ2v （2） dt ρ式中： d为微分符号； 为流体速度； t 为运动时为单位质量流体的体积力；p为流体压力； ρ为流体密度；Ñ为哈密顿算子；υ为流体的运动
U粘性系数。RNG研究中采用的湍流模型是 k-e模型，计0.005 s。算时间步长根据项目验证结果设置为本文利用流体体积方法来构建和捕捉自由液满足式（3）。面。流体体积分数方程F ¶F + ¶F + ¶F + ¶F =0 u v w ¶t ¶x ¶y ¶z
（3）
1.2 六自由度运动方程
2 DTMB 5415建立 个坐标系来确定 和无人艇的运动，两者均为右手坐标系，一个是固定坐标系（大地坐标系），另一个是运动坐标系，固定在无人艇上，原点保持在无人艇重心 G 位置，其中GX GY GZ 分别表示通过横剖面、纵剖面和水线1面的交线，如图 所示。在大地坐标系中，根据质心运动定理和相对质心的动量矩定理，有dB dt dK dt
（4） （5）
为力矩。对于运动坐标系，式（4）和式（5）可以写成： dB + ´ （6） dt dK + （ ） 7 dt式中，ω为角频率。式（8）和式（9 ）即为无人艇的六自由度运动方程： ´ + ´
m(u̇ + qw - rv) = FX m(v̇ + ru - pw) = FY m(ẇ + pv - qu) = FZ IX ṗ + (IZ - IY )qr =L IY q̇ + (I - IZ )rp =M IZr + (IY - IX ) pq =N式中：（ FX ，FY ，FZ ）为运动坐标系下无人艇在各个方向上的受力；（L，M，N）为其在运动坐标系下的转矩；m 为无人艇质量；（u，v，w）和（p，q，r）为其在运动坐标系下的线速度和角速度；(IX IY IZ)为其在运动坐标系中的惯性矩。
1.3 造波和消波
X（8）
9 （ ）基于效率考虑，在造波区采用速度边界来造UDF波，其原理是对三维水池做数值仿真，利用函数给出生成边界物体的波浪速度和波高。对于
DTMB 5415。为保证母船研究对象原型选择与实际作业下小艇和母船的尺寸一致（母船和无10∶1人艇尺寸比在 左右），对其进行了缩放，缩放2 3后母船的主尺度如表 所示，其几何模型如图所示。对无人艇在规则波中的运动进行仿真时，建
6.5 m×3 m×3 m立了 的计算域，即数值波浪水池， 4其边界条件如图 所示，只给一个压力出口，其余均设置为速度入口。当计算无人艇在母船尾流中的运动时，需重新建立计算域，但边界条件保持与前者一致。
HT=2.041 m。具体的波浪参数与Fridsma［4］池深度为1968 =1.714 5 m，在 年试验的波浪保持一致，波长 λ h=0.050 75 m。设置消波区域，长度为2波高 倍波6 7长。图 给出了数值波浪云图。图 给出了计算波形和理论波形的对比。由图可知，数值计算波形与理论波形基本吻合，满足仿真要求。
趋势符合实际情况，进一步说明了该套网格符合计算要求。
了两种工况下无人艇阻力、侧向力、纵倾角和横摇角随时间变化的曲线。