机载布放式AUV入水冲击仿真研究

齐 铎，冯金富，余宗金，李永利

（空军工程大学航空航天工程学院，西安710038）

机载布放式AUV入水冲击仿真研究

齐 铎，冯金富，余宗金，李永利

（空军工程大学航空航天工程学院，西安710038）

机载布放式AUV是利用载机运送至特定海域上空，在一定条件下通过空投方式进入水下，完成预定工作的自主水下航行器。AUV入水时会受到巨大的载荷冲击，严重时会导致机体折断、元器件失灵，甚至引起弹道失控。为此，文章采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对机载布放式AUV的入水冲击问题进行了数值仿真研究。对不同入水速度、不同入水角度下AUV受力过程进行了计算，得出了不同入水条件下的速度响应曲线和压力响应曲线，可为机载布放式AUV的机体结构设计和投放条件研究提供参考。

出水运动；动力学模型；理论模型求解

0 引 言

2014年4月14日，负责搜索马航MH370航班的联合协调中心宣布暂停澳大利亚海军 “海洋之盾”号补给舰使用拖曳声波定位仪的搜寻作用，转而使用美国海军最先进的“蓝鳍金枪鱼-21”自主式水下航行器完成接下来一段时间内的搜寻任务。自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV）具有活动范围广、机动性好、安全性强、智能化程度高等优点，是重要的海洋勘探工具。

目前，多数AUV依靠潜艇和水面船只完成水下布放，整个任务包括三个主要流程：装入母船、母船航渡、实施机械布放。限于母船的航行速度和机械操作周期，通过此种方式实施远距离特定海域的AUV布放通常需要数日时间。随着海洋监测范围和深度的不断扩大，对AUV的远距离快速布放提出了更高的要求，利用载机在特定海域内对AUV实施空投布放是实现这一目标的有效途径之一。

机载布放式AUV入水过程中会受到较大的冲击力，严重时导致机体结构损坏、元器件失灵等后果。入水冲击问题是研究多相耦合作用的热点，国内外学者开展了大量的研究工作，闫发锁等[1]通过理论和试验对比研究了圆球倾斜入水冲击压力的性质，解释了冲击压力的振荡现象。Aristoff等[2]研究了低邦德数下钢制小球入水空泡形成和发展的规律。王永虎等[3]基于势流理论建立了空投鱼雷斜入水冲击模型，采用精确形体法对鱼雷斜入水的动态行为进行分析。Mei Xiaoming等[4]设计了一种新的研究二维物体入水冲击的方法，扩展了Wagner法的适用范围。刘雨等[5]对子弹垂直姿态入水过程进行了数值仿真分析，得出了不同速度下的冲击过载响应。

机载布放式AUV由传统AUV加装翔翼装置改装而成，分为载体结构、控制系统、导航系统、能源系统、推进系统、任务载荷等部分，入水过程和常见的空投鱼雷入水基本相同，但入水条件更加严苛。AUV机体内安放了大量的电子元件和精密器件，满足长期潜于水下，能够回收和反复使用等基本要求。与主要遂行单次攻击任务的鱼雷相比，对应力反应更加敏感。实际情况中，应进一步减小机载布放式AUV的入水冲击，从而保护机体结构和内部的功能部件。

本文以REMUS100型水下航行器为研究对象，基于成熟的商用计算流体力学软件CFX，利用动网格技术和UDF方法模拟了AUV入水的全过程。得出了几种典型入水速度、入水角度条件下AUV的速度变化、压力变化和载荷峰值等变化规律，为机载布放式AUV的机体结构设计和投放条件研究提供参考。

1 机载布放式AUV物理模型

研究对象选择美国伍兹霍尔海洋研究所设计的REMUS 100水下航行器，它具有先进的环境监测、水下测绘和海洋搜救功能。

本文主要研究AUV从头部接触水面到机体完全浸没水中这一过程的入水冲击等问题。为了提高计算效率，在不影响仿真结果的前提下，对REMUS物理模型进行了适当简化，省去尾部螺旋桨和鳍舵等附着结构，简化后的模型简图及部分参数见图1与表1。

表1 REMUS 100水下航行器部分物理参数Tab.1 Physical parameters of REMUS 100

图1 REMUS 100水下航行器简化结构图Fig.1 Simplified model diagram of REMUS 100

2 仿真环境

2.1 控制方程

控制方程主要包括连续性方程和雷诺平均N-S方程[6]：

式中：ui、uj、p为时均量为雷诺应力项；ρ、μ分别为密度和流体动力粘性系数。

2.2 湍流模型

常见的湍流模型有k-ε、k-ω和SST模型。准备工作中，分别使用上述三种湍流模型在Ma=0.73，Re=6.5×106，α=3.19°的仿真条件下，计算RAE2822翼型的气动系数，并与文献[7]中的风洞试验结果进行了比较，结果如表2所示。

表2 RAE2822翼型气动系数计算值与试验值的对比Tab.2 Experiment results(er)and simulation results(sr)of aerodynamic coefficients

由表2可见，k-ε、k-ω和SST三种湍流模型中，SST模型的计算误差最小，升力系数误差3.4%、阻力系数误差偏9.2%、俯仰力矩系数误差11.9%，因此选择SST模型为计算湍流模型。

2.3 边界条件及求解参数

计算域选用半径为15 m的圆形区域，计算域介质为海水，ρ=1.024 kg/m3，μ=1.002 kPa·s，计算域如图2所示。

假设AUV入水过程中不会受到外界风浪的扰动，选择既可作为入口，又可作为出口的Opening定义其外部运动环境。Opening的湍流强度为中等强度，同时采用Step函数定义不同坐标值下空气和水的体积分数，函数定义见下式。Symmetry用于定义计算域的前后两个对称面。AUV的表面定义为无滑移壁面。收敛标准为最大残差小于1×10-5，为了提高精度，计算采用二阶向后欧拉瞬态差分格式。

图2 仿真计算域Fig.2 The computational domain

2.4 网格划分

使用ANSYS ICEM网格生成软件将计算域进行网格划分，网格为非结构面沿法向拉伸而成的三棱柱网格。考虑到AUV的轴对称特性和非定常动网格的计算量问题，本文将三维六自由度入水问题简化为二维三自由度问题。由于AUV周围区域与入水速度方向流场变化最为剧烈，因此对这些网格区域进行了局部加密，以降低数值误差，提高收敛速度。网格数量约为9万，整体质量在0.45以上。

2.5 仿真条件

选择三种典型的的入水速度和入水角度进行数值仿真实验。机载布放式AUV与水面的夹角分别为45°、60°和90°，入水速度分别为30 m/s、50 m/s和80 m/s，共计九种不同的仿真条件。在数值仿真中做以下假设：

（1）AUV为刚性体；

图3 计算域网格划分Fig.3 The mesh generation of computational domain

（2）水不可压缩；

（3）入水起始瞬间AUV攻角为零。

3 仿真结果及分析

图4 AUV入水过程示意图（入水速度为30 m/s，入水角度为60°）Fig.4 Diagram of AUV entering water

图4给出入水角为60°，入水速度为30 m/s条件下AUV的入水过程，从图中可以看出，整个过程较好地反映了机体高速入水时常见的液面隆起、喷溅、空泡等现象。

图5（a）-（c）显示了AUV在不同条件下入水的速度变化，从图中可以看出，初始仿真时刻AUV与水面存在一定的距离（设置初始高度为2 m），在重力的作用下，AUV存在速度增大的过程。但由于距离很小，增速效果并不明显。AUV头部接触到水面以后，受到阻力的作用，运动速度开始减小。而且随着入水深度的增加，速度还会持续减小。不同的入水角度条件下，入水速度的变化趋势是一致的。此外，入水速度越大，速度的减少量越多。以AUV在45°入水为例，机体完全浸没后30 m/s、50 m/s和90 m/s的入水初始速度分别减少了7 m/s、10 m/s和13 m/s。

图5 不同入水条件下的速度变化Fig.5 The velocity changes in different water entry conditions

图6 不同入水条件下的轴向力变化规律Fig.6 The axial force changes in different water entry conditions

图7 不同入水条件下的径向力变化规律Fig.7 The radial force changes in different water entry conditions

图6和图7显示了AUV在不同条件下入水受到的冲击载荷，其中6（a）-（c）为不同入水角下的AUV轴向受力变化规律，7（a）-（c）为不同入水角下的AUV径向受力变化规律。从图6可以看出，AUV入水初期，机体受到的冲击载荷急剧增加，而且这些载荷主要作用于AUV的头部。随着入水深度增加，冲击力会逐渐减小并趋于稳定。从图7可以看出，AUV所受的径向作用力随着入水角度的增大而减小，如果AUV以小角度入水，需考虑入水冲击力对AUV的径向作用力及其引起的弯矩。同时应该注意的是，如果入水角度太小，可能会导致入水姿态不稳定，甚至发生“跳弹”现象。

AUV头部放置了大量的传感器和精密元件，在入水过程中，头部主要受到轴向载荷的冲击作用，图8显示了AUV在不同条件下入水受到的轴向冲击载荷峰值。相同入水角度条件下，入水速度越大，受到的冲击载荷就越大，如当入水角度为90°时，AUV以80 m/s的速度入水，其受到的瞬时过载会超过10 000 N，严重影响AUV的安全性，甚至造成某些电子元器件失灵。过大的轴向作用力会对AUV的纵向结构强度、刚度提出更高的要求。实际应用中，应尽量避免垂直入水。

图8 不同入水角时轴向载荷峰值随速度的变化规律Fig.8 The peak value changes of axial force under different water entry conditions

4 结 论

将AUV通过机载布放方式投放到预定海域可以在最大程度上满足快速性和实时性的要求。本文通过数值模拟和理论分析的方法，以著名的REMUS 100水下航行器为例对机载布放式AUV的入水冲击问题进行了研究，得出了以下结论：

（1）机载布放式AUV入水会伴随液面隆起、喷溅、空泡等现象，其机体，尤其是头部在入水过程中的受力是目前研究的重点；

（2）机载布放式AUV入水初期机体受到的冲击载荷会在短时间内急剧增大，随着入水的深入，载荷达到峰值后逐渐减小并趋于平缓。AUV的径向压力主要随着入水角度的增大而减小，入水角度太小，可能会导致入水姿态不稳定，甚至发生“跳弹”现象。

（3）机载布放式AUV入水轴向载荷峰值随入水角度的增大而增大，正常情况下，应避免采用垂直姿态入水。

[1]闫发锁,孙丽萍,张大刚,等.圆球倾斜入水冲击压力特征的实验研究[J].振动与冲击,2015,34(8):214-218. Yan Fasuo,Sun Liping,Zhang Dagang,et al.Impacting pressure characteristics during oblique water entry of a sphere [J].Journal of Vibration and Shock,2015,34(8):214-218.

[2]Aristoff J M,Truscott T T,Techet A H.The water-entry cavity formed by low Bond number impacts[J].Physics of Fluids, 2008,20(9):1362.

[3]王永虎,石秀华.空投鱼雷斜入水冲击动力建模及仿真分析[J].计算机仿真,2009,26(1):46-49. Wang Yonghu,Shi Xiuhua.Modeling and simulation analysis of oblique water-entry impact dynamics of air-dropped torpedo[J].Computer Simulation,2009,26(1):46-49.

[4]Mei Xiaoming,Liu Yuming,Yue D K P.On the water impact of general two-dimensional sections[J].Applied Ocean Research,1999,21(1):1-15.

[5]刘 雨,王雨时,闻 泉.子弹垂直入水冲击过载数值仿真方法研究[J].探测与控制学报,2015,27(1):64-66,71. Liu Yu,Wang Yushi,Wen Quan.Numerical simulation method of submunitions’water-entry impact acceleration with vertical posture[J].Journal of Detection&Control,2015,27(1):64-66,71.

[6]潘 光,施 瑶,杜晓旭,等.驻留航行器沉底稳定性的数值分析[J].上海交通大学学报,2012,46(9):1493-1497. Pan Guang,Shi Yao,Dd Xiaoxu,et al.Numerical simulation of sink stability for unmanned underwater lurk vehicle[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University,2012,46(9):1493-1497.

[7]Cook P H,McDonald M A,Firmin M C P.Aerofoil RAE 2822:Pressure distributions,and boundary layer and wake measurements,experimental data base for computer program assessment[R].AGARD Report AR 138,1979.

Simulation study on water entry impact of airborne launched AUV

QI Duo,FENG Jin-fu,YU Zong-jin,LI Yong-li
(Aeronautics and Astronautics Engineering College,Air Force Engineering University,Xi'an 710038,China)

The airborne launched AUV is an autonomous underwater vehicle,which is transported to the specific sea area by aircrafts,and enters into water in certain conditions to accomplish scheduled work.The airborne launched AUV will endure very large force at the moment it enters water,which may cause damages to the structures,inner apparatus and even lose the control of trajectory.In this paper,the computational fluid dynamics(CFD)method is used to simulate and study the water entry impact of airborne launched AUV.The loading process of AUV is computed in different water entry velocity and different water entry angle.The velocity response curves and stress response curves are attained in different water entry conditions.The conclusions can provide references for the structure design and launched conditions of airborne launched AUV.

airborne launched AUV;computational fluid dynamics;water entry;impact load

TJ630

：A

10.3969/j.issn.1007-7294.2016.10.008

1007-7294（2016）10-1281-08

2016-05-17

国家自然科学基金（61472443）；陕西省自然科学技术研究发展计划资助项目（2013JQ8042）

齐 铎（1987-），男，博士研究生，E-mail:qi33song@sina.com；冯金富（1964-），男，教授，博士生导师。