水下作业装置偏航、俯仰状态水动力学研究
水下作业装置偏航、俯仰状态水动力学研究
张港庆1，董建帅2,3，苏世杰1，陈 赟1，晏 飞1，
（1.江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003；2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；3.深海技术科学太湖实验室，江苏 无锡 214082）
摘 要：近年来，随着海洋资源的不断发现，水下作业装置越来越受人们的重视。为了研究水下作业装置在偏航和俯仰状态下的水动力学特性，首先基于雷诺时均N-S方程(RANS)和RNG湍流模型，对SUBOFF潜艇进行数值模拟，并与实验数据进行了比较，验证了数值模拟方法的有效性和可靠性。其次，研究了不同偏航角和俯仰角对水下作业设备表面压力、速度和涡旋的影响。结果表明，随着偏航角和俯仰角的增大，表面压力与其成正比，速度与其成反比，涡旋向背流侧发展。通过以上分析，对研究水下作业装置的稳定性具有重要意义。
关键词：水下作业装置；数值模拟；流体动力
Hydrodynamics Research on Yaw and Pitch of Underwater Operation Device
ZHANG Gang-qing1，DONG Jian-shuai2,3，SU Shi-jie1，CHEN Yun1，YAN fei1
（1. School of Mechanical Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2. China ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China；3. Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science，Wuxi 214082，China）
Abstract：In recent years, with the continuous discovery of marine resources, people pay more and more attention to underwater operation devices. In order to study the hydrodynamic characteristics of underwater working equipment in yaw and pitch, firstly, based on Reynolds Time-averaged N-S Equation (RANS) and RNG k-ε turbulence model, the SUBOFF submarine is numerically simulated, and compared with the experimental data, which verifies the effectiveness and reliability of the numerical simulation method. Secondly, the effects of different yaw angles and pitch angles on the surface pressure, velocity and vortex of underwater operation equipment are studied. The results show that with the increase of yaw angle and pitch angle, the surface pressure is directly proportional to it, and the velocity is inversely proportional to it, and the vortex develops to the leeward side. Through the above analysis, it is of great significance to study the stability of underwater operation devices.
Key words：underwater operation device；numerical simulation；fluid dynamics
0 引 言
由于海洋物产丰富，各国都把海洋资源的勘探和开发作为发展重点[1]。但水下环境险恶复杂，潜水员水下作业十分危险。为了提高安全性，水下作业装置已经成为水下工作和研究的重要工具[2]。水下作业装置在工作时，由于工作环境复杂，会在水下以不同的偏航和俯仰姿态工作，导致其自身受力点和周围流场的变化，进而影响其工作时的稳定性。因此，分析水下作业装置在不同偏航、俯仰姿态下的水动力性能便非常重要。肖昌润等[3]用动网格法比了RNG湍流模型和SST湍流模型的计算精度。结果表明，两者计算精度相差不大，但是RNG湍流模型计算时间较短。易文彬等[4]采用STAR-CCM+软件预测船模阻力。结果表明，棱柱层的层数和总厚度对阻力预测有很大影响。王兴茹[5]研究了潜艇在偏航和俯仰状态下的涡旋。结果表明，随着偏航角的增大，流场中的涡流强度增大。Xavier Ling等[6]研究了潜艇在不受自由面或海底影响的情况下的偏航角。潜艇周围的负压随着偏航角的增大而增大。张思聪[7]在偏航角下对潜水器进行了仿真，结果表明，随着偏航角的增大，潜水器迎流面一侧的船体所受压力越来越大，流速越来越慢。Zhang等[8]使用雷诺平均(RANS)和标准模型方法，研究了蝶形机器人的阻力性能问题，并用实验证明了数值模拟的准确性。Abedi等[9]采用风洞试验和数值模拟相结合的方法对潜水器流场进行了分析，得到了潜水器表面压力分布。
本文利用STAR-CCM+软件对不同偏航角和俯仰角的水下作业装置进行仿真，探索不同偏航角和俯仰角对水下作业装置水动力特性的影响。
数值理论
1.1 控制方程
下列方程式代表了以张量形式表示的流体流动定律的控制方程，对于不可压缩粘性流体，在忽略热尾流的情况下，质量守恒和动量守恒被用来描述水下工作装置流场中流体流动的基本规律[10]。
连续性方程：
动量守恒方程：
式中，为密度，；—为压力，；为速度分量，；为坐标分量，；为运动粘度，；为单位质量力，。对水下作业装置流场的计算将采用RANS方法。
时均值和脉动值是通过变量分解法从瞬时的物理量中得出的，在RANS方法中被采用，即：
式中，为某一物理量的瞬时值，为时均值，为脉动值。
将方程（1）和方程（2）的速度和压强值用时均值和瞬时值代替，得到时均连续性方程和Reynolds时均动量方程。
式中，为平均速度，；
动量方程（雷诺方程）：
式中，为平均压力，；
被定义为雷诺应力，由于雷诺应力的存在，方程组不是封闭的，无法求解，因此有必要引入湍流模型。
1.2 湍流方程
本文采用RNG湍流模型进行作业装置流场计算，其湍流动能和湍流耗散率的方程如下：
湍流动能方程：
湍流耗散率方程：
在计算中，假设流体是不可压缩的，即其密度保持不变，为零，并且在计算过程中不需要考虑源项的影响，即，为零，式（2.7），（2.8）变为：
式中，，，，，，，
湍流模型常数：
＝1.42，＝1.68，＝0.0845，，=1.3，=4.38，=0.012
计算模型和网格划分
几何模型
图1为水下作业装置的3D模图，包括主体和机械臂两部分构成，主要基本参数见表1。
图 1 水下作业装置三维视图
Fig. 1 3D view of underwater operation device
表 1 水下作业装置主要参数
Table 1 Main parameters of underwater operation device
计算域设置
由于本文要对水下作业装置进行偏航和俯仰状态水动力学分析，因此应该加大Y，Z方向的计算域尺寸，如图2所示。
（a）计算域纵剖面
（b）计算域横剖面
图 2 计算域及边界设置
Fig. 2 Calculation domain and boundary setting
网格划分
在建立好计算域的基础上进行网格划分，网格划分的质量直接影响对水下作业装置的精度[5]。在STAR-CCM+软件中，依次选择表面重建，自动表面修复，切割体网格单元生成器，棱柱层网格生成器。由于要计算水下作业装置的表面压力，需要增加棱柱层，减小棱柱层总厚度，减小棱柱层延伸，减小最小表面尺寸，以提高计算结果的精度。水下作业装置表面网格示意图和计算域网格示意图如图3和图4所示。
图 3 表面网格示意图
Fig. 3 Schematic diagram of surface grid
图 4 计算域网格示意图
Fig. 4 Schematic diagram of computational domain grid
计算方法和网格无关性验证
首先，对全附体SUBOFF潜艇的阻力值进行仿真，并与美国大卫泰勒船池实验中心公布的实验结果进行了对比[11]，结果如表2所示
表 2 阻力结果分析
Table 2 Resistance result analysis
从上表中可以看出，综合6个航速，表中计算结果和实验结果最大误差为4.9%平均误差为2.95%，这一误差在一般工程要求的范围内。
随后，将潜艇在10节时中纵面上半边缘线与指挥台围壁之间的压力系数与实验值进行了比较[12]，用压力系数验证数值结果的准确定，对比结果基本一致。其中压力系数的定义为：
如图5所示，SUBOFF潜艇中纵面上半边缘线和指挥台中部的压力系数分布与实验数据高度吻合。同时可以看出，压力系数在艇首、指挥台前端和潜艇尾部前端较高，这是由于该位置流体流速较低造成的。实验结果与仿真结果基本一致，说明了，证明了本文数值计算方法预测水下作业装置流场的可行性和准确性。证实了此方法对于水下作业装置流场计算结果误差很小。
图 5 压力系数沿艇长和沿指挥台外缘的分布图
Fig. 5 Distribution of pressure coefficient along the captain and along the outer edge of the podium
最后，验证了网格无关性。选择雷诺数作为条件，划分了五组不同大小的网格，对流场敏感区域进行加密后计算出阻力系数，评估网格无关性。划分了五组不同网格大小、不同总网格的水下作业装置计算域网格进行网格无关性验证，节点数如下表所示。在不同网格数下，水下作业装置的阻力见表3，根据阻力系数公式可得到不同总网格下的阻力系数。
阻力系数公式：
其中是水下作业装置所受阻力值。
表 3 网格数明细
Table 3 Grid number detail
图 6 网格无关性验证
Fig. 6 Grid independence verification
根据图6的结果显示，水下作业装置在第三套网格后（305万）阻力系数趋于稳定。考虑到网格质量对计算结果影响较大，最终选择第四套网格(480万)作为计算水下作业装置流场的标准。
4 结果分析
水下作业装置水下运动有六个自由度，位置和姿态单一或与偏航、俯仰、翻滚等多种状态组合。通常情况下，沿Z轴左右运动叫做偏航运动（yaw），运动后姿态与X-Z平面的夹角叫做偏航角；沿Y轴上下运动叫做俯仰运动（pitch），运动后姿态与X-Y平面的夹角叫做偏航角。如图7所示。本节在雷诺数条件下，对不同偏航角的和不同俯仰角的水下作业装置进行数值模拟计算。
图 7 作业装置偏航、俯仰示意图
Fig. 7 Schematic diagram of yaw and pitch of operation device
4.1 不同偏航角对压力的影响
水下作业装置上最大压力点的位置随着来流方向的不同而不同，图8为来流方向与偏航角的相对位置示意图。图9是水下作业装置左右两侧表面压力随偏航角增大的云图，从图中可以看出，偏航角增大时，水下作业装置右侧的压力明显高于左侧，因为右侧是迎流面，左侧是背流面。从水下作业装置左侧表面的压力图中可以看出，主体首部和机械臂的尾部附近出现明显的低压区，低压区的范围随着偏航角的增大而扩大。相反，从水下作业装置的右侧可以看出，主体的尾部和机械臂的前端都有高压区，在相同的偏航角下，由于右侧的压力远高于左侧，水下作业装置会受到一个从右侧到左侧的力，这是符合实际情况的。随着角度的增大，右侧高压区的范围不断扩大，并逐渐向尾部蔓延。
图 8 来流方向与偏航角相对位置示意图
Fig. 8 Schematic diagram of relative position of incoming flow direction and yaw angle
（a）左
（b）右
图 9 水下作业装置左（a）、右侧（b）压力云图
Fig. 9 Pressure nephogram of left (a) and right (b) of underwater operation device
为了进一步观察水下作业装置压力分布，选取四个偏航角下Z=0剖面的剖面曲线压力系数图进行对比，如图10所示。从图中可以看出，水下作业装置的最大压力系数位置在迎流处，随着偏航角的变化而变化，最大压差随着偏航角的增大而逐渐增大，最大压差左侧的整体压力系数在增大。
图 10 不同偏航角下的压力系数图
Fig. 10 Pressure coefficient diagram under different yaw angles
4.2 不同俯仰角对压力的影响
水下作业装置上最大压力的位置随着俯仰角的不同而不同。为了观察不同俯仰角对水面压力的影响，对俯仰角=0°、5°和10°的水下工作装置的流场进行了模拟计算。来流方向与俯仰角的相对位置示意图如图11所示。
图 11 来流方向与俯仰角的相对位置示意图
Fig. 11 Schematic diagram of relative position between incoming flow direction and pitch angle
水下作业装置在俯仰角=0°，5°，10°下的作业装置表面压力图如图12所示。随着俯仰角的增加，水下作业装置首部的最大压力逐渐向下发展，首部上方的低压区明显增大，并逐渐向中部发展，最后与尾部的低压区相连，机械臂上方的低压区也明显增大。
图 12 俯仰角0°，5°，10°下的作业装置表面压力图
Fig. 12 Surface pressure diagram of working device at pitching angles of 0，5and 10°
为了进一步观察水下作业装置压力分布，选取了俯仰角=0°，5°，10°三种情况下X=1截面的轮廓曲线压力系数图进行对比，如图13所示。由图可以看出，随着俯仰角的改变，最大压力差产生的位置和大小基本相同；在-60°~60°之间，随着俯仰角的增大，压力差受机械臂的影响也在增大。
图 13 X=1截面轮廓曲线压力系数图
Fig. 13 Pressure coefficient diagram of X=1 section profile curve
4.3 不同偏航角对速度的影响
当水下作业装置的偏航角发生变化时，会影响周围流场的速度，如图14、15所示。从图14水平面的速度云图可以看出，在偏航运动过程中，水下作业装置前后各有一个高速度区。随着偏航角增大，尾部的高速区域逐渐减小，主体两侧受水下作业装置迎流面积增大，导致速度阻塞区域增大，低速区范围逐渐扩大。
图 14 不同偏航角下横截面速度云图
Fig. 14 Cross-sectional velocity nephogram under different yaw angles
通过图15中纵面的速度图可以得出，随着偏航角的增大，尾流在受横向力的作用下发生偏移，水下作业装置尾流低速区逐渐减小。在中纵面上，水下作业装置首部和尾部的上下各有一个高速区，随着偏航角的增大，水下作业装置首部和尾部的高速度区域明显扩大并向中部延伸，在偏航角为15°时，首部和尾部的高速区连接在一起。
图 15 不同偏航角下中纵面速度云图
Fig. 15 Velocity nephogram of mid-longitudinal plane under the same yaw angle
4.4 不同俯仰角对速度的影响
当水下作业装置处于俯仰状态时，随着姿态的改变，会对周围流场速度造成影响，如图16和图17所示。从图16可以看出，水下作业装置首部背流侧和尾部迎流侧存在高速区，即随着俯仰角的增加，作业装置尾流的纵向的受力增大。
图 16 俯仰角0°，5°，10°下的中纵面速度云图
Fig. 16 Mid-longitudinal velocity nephograms at pitching angles of 0，5and 10°
从图17可以看出，水下作业装置左右两侧流场呈对称分布，首部和尾部都有较大的高速区域。随着俯仰角的增大，首部和尾部明显向中间扩张延伸，在=10°时首尾两个高速区连接在一起；尾流在受纵向力的作用下产生偏移，在水平面上的尾流低速区域逐渐减小。
图 17 俯仰角0°，5°，10°的水平面速度分布图
Fig. 17 Horizontal velocity distribution at pitching angles of 0，5and 10°
4.5 不同偏航角对涡旋的影响
利用刘超群教授的第二代涡识别准则准则提取出不同偏航角的流场中的涡旋结构[13]。从图18中可以看出，在偏航状态下，水下作业装置上会出现三类涡旋，第一类是由机械臂顶端引起的梢涡，随着偏航角变化，不断的偏向背流侧偏移；第二类涡旋是由机械臂和机身流体交汇区域的形成的交汇涡；第三类是当流体在机身表面流动时，部分流动会分离，形成涡旋结构。随着偏航角的增大，水下作业装置机械臂上的梢涡逐渐向背流侧偏移，主体上产生的表面分离涡逐渐增多。
图 18 不同偏航角下涡旋分布图
Fig. 18 Vorticity distribution diagram under the same yaw angle
5 结论
通过以上对水下作业装置的分析得出如下结论
1）数值模拟阻力和压力系数与试验结果吻合度较高，6种航速下阻力结果与实验结果最大误差为4.9%，平均误差为2.95%，可以满足工程所需要求。
2）对于不同偏航角、俯仰角对表面压力的影响，可以看出，随着偏航角和俯仰角增大，水下作业装置在迎流侧压力增大，背流侧压力减小。
3）对于不同偏航角对速度的影响，可以看出，在横截面上，随着偏航角增大，迎流面积越大，速度阻塞区域越大；在纵截面上，随着偏航角增大，周围速度越大，尾流长度减小，速度分层更加明显。
4）对于不同俯仰角对速度的影响，可以看出，在横截面上，水下作业装置两侧流场呈对称分布，尾流长度随俯仰角增大而减小；在纵截面上，首部的背流侧和尾部的迎流侧都有高速度区，并且随着俯仰角增大，速度阻塞区变大。
5）对于不同偏航角对涡旋的影响，可以看出，随着偏航角的增大，交汇涡仅在水下作业装置迎流侧的机械臂和机身交界处形成，机械臂产生的梢涡和交汇涡后方的涡带都会向背流侧偏移。
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