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波浪中高速气垫船的模拟操纵

摘要

一种确定作用于波浪中操纵的多体船的波浪力的方法已经发展成运用一种三维势流方法并辅以黏性流场数值分析方法加以修正的方法。海岸操纵是一个关键问题，因此浅水波效应应该被考虑。

本研究的重点是广泛验证流数值分析方法得到的波型和波浪力，以确保一个稳健的数值方法。未来的验证将开启基于物理的，有利于新型船体形式设计的仿真模拟。

关键词

操纵，不规则波，海岸，侧壁气垫船，双体船

1.0介绍

ONR T-Craft(变形艇)概念在气垫船和非缓冲双体船模式下运作，在海上速度可达40节。计划的部署需要操纵通过接近海岸的沿海障碍。理解波浪中的操纵力是一个重要的设计考虑。本文提出了一种预测船舶在深水或浅水区通过航道时所受作用力的仿真模拟方法。

虽然可以想象运行高保真、多相、不稳定的RANS代码来模拟波中的SES，但这在计算上是禁止的。相反，以一种互补的方式运用势流分析方法和黏性流场数值分析方法才能起到双管齐下的作用。

以往的船舶操纵研究和仿真几乎完全基于实验推导的操纵系数。这有助于培训现有船舶的操作人员，但对于在设计阶段评估替补方案没有直接帮助。近年来，基于物理建模和数值模拟的操纵仿真工作已经开始。其中一些研究包括McTaggart(2005)应用瞬态波绿色函数方法，Yen等人(2010)将面板方法LAMP应用于S-175单壳货船，Seo和Kim(2011)基于S-175的Rankine面元法。这些方法均采用三维势流分析方法辅以黏性效应半经验修正。

三维方法，相对于二维带理论方法对于操纵研究更为关键，因为纵荡运动和低遭遇频率很受关注。同时多体船设计在新的海军项目中越来越受欢迎。

这项研究对之前的工作提出了两个新的考虑。首先，它验证了带有方尾的复杂多体船设计而不是有一个简单的巡洋舰船尾的简单单体船S-175的数值解。其次，势流方AEGIR是一种高阶Rankie边界元法(BEM)，而不是用四边形来表示几何形状的面元法。AEGIR运用非均匀合理的B样条曲线(曲线曲面的非均匀有理B样条)来描述几何图形。

AEGIR还可以支持尾板和循环分布，通过迭代压力库塔条件和通过可在势流处理中施加升力的尾梁条件。它与驱动程序ACVSIM耦合，该驱动程序处理气垫和密封机制，特别是SES。

势能流波力由黏性处理方法补充，包括稳态谱和更简单的半经验方法。本研究使用的RANS代码是商业ANSYS产品CFX。提出半经验法作为估计粘性影响的粗略替代方法。有一个潜在的假设，即粘性效应可以以准静态的方式处理，并且势流效应可以捕捉到最重要的时间依赖性。这可以通过后续的非定常粘性模拟研究来验证，但这并不包括在现在的范围中。

本研究的目的是验证操纵预测的数值方法。对数值参数进行了详尽的测试，以确定仿真的鲁棒性和准确性。仿真的物理验证将在未来的SES波浪操纵实验模型测试之后进行，但是对于SES的前进速度测试和更传统的舰船来说，AEGIR已经得到了广泛的验证。

本文介绍了操纵力的方法和验证结果。这将是一个有用的工具，设计者可以借此设计推进，转向，和方向控制的t型船和类似的船。

2.0操纵模式

目前工作的主要重点是开发严格的计算波浪中操纵力的数值方法。操纵和船舶运动的运动方程为必须检验的船舶运动学和动力学提供了背景。

船舶在波场中运动时的轨迹，由三个缓慢变化的分量和六个刚体波-频率振荡组成的多时间尺度分解来描述。这些操纵和船的运动都是用固定的参考框架来表示的。

虽然这里使用的是慢变项，但这一项相对于波频力。该模式允许“突然”操纵，如碰撞停止或避障，这对高速飞行器很重要。同行的波浪周期通常在10秒左右，而突然的动作可能会在几分钟内发生。该方法可以推广，以考虑在必要时更紧密地耦合机动和波频效应。

慢变分量描述了船舶的基本操纵，与传统的适航性理论中的平均前进速度相似。这三个分量表示为，代表前进速度，侧滑速度，回转速度。对于辐射波和散射波的传播，不需要直接用物体位置的解析表达式来求解。将描述的AEGIR中的wave解决方案显式地存储了wave模式。这个波型包含了惯性空间运动的历史。然而，需要小心地将入射波的解析表达式从它们的绝对惯性描述转换为在固定的参照系中的交会。

该仿真还集成了六种适航性典型的刚体运动模式。如果有必要，还可以进一步研究附加的水弹性模态。这六种刚体运动模式在关于缓慢操纵路径的波频中震荡，被表示为。这是一个广义阵列，包含纵荡、横荡和升沉的三个平移量，以及横摇、纵摇和首摇的三个旋转量。对于纵荡、横荡和首摇的水平运动，总位移是缓慢变化的操纵位移和波频振荡的总和。例如，总首摇有如下形式:

在目前的工作中，假设波频运动的小扰动，但由于采用时域方法，这种多尺度分解可以非线性处理。由于波的斜率较小，因此考虑了线性波力和二阶慢漂力。二阶效应既通过一个标准的“平均”漂移力上升，也通过流动循环的提升效应上升。船体可以作为低展弦比机翼。

操纵运动方程采用以下方式

这比传统的操纵方程形式更加紧凑，因为力是通过计算模型直接计算的，而不是作为一组半经验系数。在方程(2)中，代表入射波场,M是船舶惯性,a0是需要设置的瞬时附加质量，以此避免由于数值0--不稳定性带来的误差(Kring 1995)。

在方程2的右侧，有与时域势流模型AEGIR和RANS模型CFX相关的力。AEGIR第一项为船舶通过波浪运动的非定常表达式，第三项为操纵力的准定常表达式。CFX力也可以表示为准静态项。这种混合方法允许对势流时域模拟进行粘滞校正。CFX黏性力作为力的一个表来计算，补充了AEGIR波力。AEGIR采用与CFX相同的稳态结构，以分离粘性和惯性效应。

这个假设是当前方法计算简化的核心。虽然时域的RANS(非稳态RANS)可以直接模拟这个问题，但这将是非常耗时的。假设势流时域模拟的粘滞修正可以用准静态的方式建模，我们将提供了一种计算效率更高的方法。在由于粘性而产生强记忆效应的情况下，可以创建时域规范模型，从而在势流和RANS混合方法中仍然保留一些计算优势。另一种模型，如Greeley(2010)，检查时域舭龙骨力将非常适合计算效率的方法。

AEGIR和CFX都可以模拟产生升力的推进系统和附件，所以它们可以直接包含在力模型中。或者，如果需要，可以使用半经验模型来补充CFD结果，这只是在运动方程中增加了额外的项。

3.0时域势流

AEGIR是一种三维势流求解器，最初由麻省理工学院(MIT)开发(Kring et al. 1999)，现已被开发为许多应用的物理模拟核心，如海上平台、多体船舶、气垫车辆、无人驾驶船舶和近水面船舶。它的一些特点包括线性和非线性的耐波性，增加的波浪阻力，稳定和非稳定升力，通过粒子群优化的自动化设计，以及一些先进的软件功能，如TCP/IP套接字通信之间的多个进程。(Kring et al. 2004, Stern et al. 2006, Milewski et al. 2007, Peltzer et al. 2008, Jonquez et al. 2008, Rosenthal et al. 2010)

核心波体边界积分方法的主要特点包括流场和基于nurbs几何的高阶表示、自由曲面的数值稳定Rankine格式和计算复杂问题的快速O(N)求解器。AEGIR还有两种不同的基本模型。一种是稳态求解器，它直接求解静水阻力、沉水量和纵倾，就像Robin积分方程那样。另一种是考虑非定常波的时域模拟。它使用一种中性稳定的方案在离散的自由表面上传播波。

扩展AEGIR以模拟转弯、侧滑和曲折等更一般的操纵时的波流，提出了许多新的挑战。本阶段项目的重点是创建一个具有广泛数值验证的鲁棒数值方法。本节提供了其中的一些挑战和解决方案，以及验证结果的一个示例。

3.1数值稳定性问题

利用伽利略变换对时间导数进行了计算，得到了相对于流体惯性系的固定参考系的运动。这改变了物体的边界和自由表面条件。平面操纵运动的伽利略变换表示为:

这里

x和y坐标在固定坐标系中，约定x指向船首，y指向左舷，z指向上。这是一个关于z轴的右旋。

这是对Nakos(1993)中详细描述的边值问题的一个简单概括。在弹道波型轨迹上，慢变操纵速度的时变特性明显。自由表面波包含记忆效果。

该方法在单壳操纵试验中是稳定的，但在多壳操纵试验中出现了意想不到的问题。双体船结构增加转弯或侧滑导致船体之间产生短的人造波。

人造的“伪”波大约有2到4个元素那么长。随着它 们的增长，捕获的数值误差泄漏到更长的纵向模态，如图1所示，这是不稳定增长的快照。减小元素长度与较短的杂散波和较慢的误差增长速率是一致的。作为该问题的一种实用解决方案，空间滤波器被应用到杂散波中。这类似于Nakos(1993)中描述的空间过滤器，但是在样条边界处进行了更仔细的处理。随着时间步长和元素大小的减小，空间滤波器也相应地减小，因此这是一种数值一致的方法。收敛试验表明，长波能量的求解不需要人工损耗。这个空间滤波器在数值上是无害的。

Fig. 1:人工捕获模式引起的波型不稳定增长的快照。

AEGIR面临的另一个挑战依次是存在重要的侧向力及其对斑块间自由表面连续性的影响。

在只有前进速度的情况下，通过边界积分方程可以很好地实现斑块间的连续性。仅质量的连续性就在b样条斑块之间强加了一个连续的解，相邻斑块之间没有显式的连接。这就是为什么没有相邻面板之间显式连接的平板方法仍然可以产生连续解决方案的原因。

然而，回转的情况是不同的，因为在流中可以有显著的循环来支持侧向力。图2说明了在应用补丁之间没有显式连续性的情况下，一个多船体解决方案的失败。这是一个NSWC-CD设计的T- Craft在双体船模式下以20节，回转半径到船长(R/L)为10。随着元素大小的变化，补丁之间的跳转会发散。最基本的问题是船体之间的循环是不受基本方法支持的。

对于一艘回转的船来说，这需要考虑到围绕船体的循环，这就需要在贴片之间或元素之间建立更明确的连续性。平面方法可以尝试使用强空间滤波，但这可以从根本上改变这种流动的性质。这种强的相邻元素之间的过滤与上面讨论的补丁中一致的过滤是完全不同的。

Fig. 2:NSWC-CD T- Craft在20节稳定转弯时的波浪图，R/L=10，相邻b样条斑块之间没有显式连续性。

AEGIR的解决方案是对斑块间的波势和波高都施加C0 (数值)连续性，等于电位的C1 (数值和范围)连续性。图3显示了新方法的结果，该方法具有斑块间的连续性。在这种情况下，波型与单元尺寸收敛。

Fig. 3:NSWC-CD在20节稳定转弯时的波型，R/L=10, b样条斑块之间具有显式连续性。

假设是自由表面必须支持船体的侧升力，很像尾流板。自由表面偶极奇点可以直接与自由涡度有关。仅靠质量守恒不足以支撑势流中的升力，因此需要有方尾分离条件以及棚涡度为180的连续性的明确条件。这一假设在目前的研究中只是间接得到了支持，需要在今后的工作中得到验证。此外，更详细的理论和数值分析可能是有益的。

3.2波型

波的数值处理的另一个关注点是自由表面域的拓扑结构。研究了两种替代策略。首先是一个简单的矩形域。在这里，波需要穿过斑块之间的直线边界传播。第二个概念是使用一个自由曲面域，它是根据回转速度弯曲的。该区域的优点是通过斑块边界传输的波能量更少，而且元素在几何上适合回转。

在数值收敛法中，底层网格不重要，但由于连续性方案或局部几何逼近，是否存在实际限制尚不清楚。

在图4中，域沿船舶回转时的操纵路径弯曲。在自由表面贴片的边界上，波型的一些畸变可能是明显的，但是作用在船体上的整体力相对于单元尺寸收敛到大约1%的误差。

图5显示了该船在同一回转时的波浪模式，但其空间域和网格是矩形的。在这里，补丁边界也有一些轻微的失真，因为只强制C1连续性。整体力仍然收敛于空间离散化。

图6显示了在运行的前40秒内作用在容器上的垂直力的比较。只显示记录的前40秒，因为它强调了图5和图6中分别显示的直线和曲线以及域形状的结果之间的一致性。超过40秒的力的一致是相似的。力记录显示了脉冲启动的典型瞬态响应。

Fig. 4: NSWC-CD在20节时的波型，在R/L=10的曲线计算域内旋转。

Fig. 5:NSWC-CD在20节时的波形，在R/L=10旋转，计算区域为矩形。

图7中一致性的重要性在于，不必使用弯曲的空间域来模拟机动。如果需要一个曲面域，那么每个单独的机动轨迹都需要一个新的自由曲面几何。此外，如果轨迹不只是一个纯粹的稳态转弯，那么定域的形状，从容器的角度来看定域的相对形状会在每一步发生变化。这就需要对边界积分方程的影响系数进行昂贵的重新计算。矩形区域允许几何形状随时间保持不变，这是非常有效的。

Fig. 6: 弯曲和矩形计算域力的比较。

3.3瞬态启动

在时域仿真中，由于物理行为中存在瞬变现象，因此启动仿真的方式是一个重要的考虑因素。AEGIR具有从静止脉冲启动的能力，从零到完全发展的入射波谱与船舶瞬时速度。该方法还可以施加一个锥形斜坡，缓慢地增加入射波和船舶速度到目标水平。

瞬变不是一个数值问题，而是一个物理响应。脉冲启动给波和产生的力以宽带频率激励。斜坡启动可以减少这种激励。特别重要的是在临界简化频率上限制瞬态激励的数

资料编号：[3701]