针对近年来的深海应急响应事件，如航天失事打捞关键部件、马航370失事等，现阶段能进行快速反应的只有直升机和卫星图像观测，但都无法快速确定失事地点．能进行水下探测的自主式水下运载器(AUV)受限于船舶速度，往往需要一个月的时间赶往失事地点，但黑匣子的信号会随时间减弱，此时进行水下搜索难度极大，如“法航447”事件调查人员花费两年的时间才确定了失事位置．空投AUV可以通过飞机迅速布置到事发地点，是深远海应急响应极佳的解决方案．美国海军为了提高猎雷效率，计划通过直升机布放REMUS型AUV[1]，同时还可以避免AUV布放母船靠近雷区的危险，且一辆直升机可以搭载多个AUV，大大提升了作业效率．文献[2]采用Simulink仿真系统对空投AUV各个阶段的弹道、姿态、速度等进行了模拟；文献[3]采用数值模拟方法模拟了不同初始状态如入水角度、入水速度和重心分布等不同参数变化对AUV受力的影响；文献[4]同样采用数值模拟方法计算了不同入水角度和速度下AUV的受力，结果表明速度过大时AUV的受力会超过10 kN，严重影响AUV及搭载设备安全；文献[5-9]研究了结构物入水时的研究方法和抨击、弹跳等现象．上述研究都是在静水条件下进行的，对波浪载荷考虑较少．本课题重点研究波浪载荷对空投AUV入水的影响，分析不同入水点、波浪参数和风速下AUV受力变化，为未来空投AUV设计提供参考．1 计算模型及方法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．为了简便计算，简化搭载载荷和推进结构，简化后模型及尺寸见图1．10.13245/j.hust.210122.F001图1REMUS 100 简化模型及尺寸(m)CFD计算采用商业软件STAR CCM+，控制方程主要包括连续方程和RANS方程∂ui∂xi=0；(1)∂ui∂t+uj=-1ρ∂p∂xi+1ρ∂∂xjμ∂ui∂xj-ρu¯i'u¯j'，(2)式中：ui，uj和p为时均量；xi和xj为空间变量；∂∂xj-ρu¯i'u¯j'为雷诺应力项；ρ和μ分别为流体的密度和动力黏性系数．利用一阶VOF(volume of fluid)波模型模拟波浪，采用VOF方法捕捉自由液面，湍流模型采用k-ε模型，其中一阶波浪水平速度为Vh=aωcos(K·x-ωt)eKz；(3)垂直速度为Vv=aωsin(K·x-ωt)eKz；(4)波面方程为Aw=acos(K·x-ωt)，(5)式中：a为波幅；ω为波的频率；K为波矢；x为空间矢量；K为波数；z为距水面的垂向距离；其余参数定义见参考文献[10]．计算域见图2，由于所用波长较长，计算域长约12.0L，宽约4.4L，高约7.0L，L为AUV总长．计算域前后壁面分别设为速度入口和压力出口，其余均设为对称壁面．采用重叠网格实现AUV的运动，划分网格时对水面附近、AUV及运动轨迹周围进行了局部加密，见图3．为了避免波浪反射，设置了一个数值消波区域，该区域距压力出口长度l=2λ(λ为波长)，在该区域内提供一个抵抗波浪垂直运动的阻尼来达到消波的目的，参数方程见文献[11]．10.13245/j.hust.210122.F002图2计算域10.13245/j.hust.210122.F003图3计算网格2 网格敏感性验证为进行网格敏感性验证，采用STAR CCM+划分了5个分辨率不同的直角网格．通过调整网格的基本大小，同时保持其他设置不变，可以更改网格密度等级．选择值0.5作为100%基本大小，总共生成2.7×106网格．然后将网格的基本大小更改为1.130(226%)，0.935(187%)，0.635(127%)和0.335(67%)，生成4.5×105，6.6×105，1.25×106和4.27×106网格．采用两层ally+壁面处理方法捕获了边界层，y值保持在30~300范围内．网格设置基于网格细化比(rG)．通常，rG定义为粗单元大小与细单元大小之比，对于结构化网格细化因子，rG=(Nfine/Ncoarse)1/d，式中：Nfine和Ncoarse分别为密网格和粗网格总数；d为计算问题的维数，取为3．本研究由密到中(或者中到稀)网格的网格细化比与参考文献[12]中的一致．静水条件下，AUV初始垂向速度10 m/s，计算AUV入水瞬间的加速度．4.5×105，6.6×105，1.25×106和4.27×106网格模型下，AUV入水瞬间的加速度分别为8.247，8.415，8.282，8.326和8.332 m/s2．尽管5个网格场景的密度级别不同，但所有网格的计算结果差异很小，最大值和最小值仅有2%的差异．以下计算中网格基本尺寸选择0.5．计算了AUV在不同入水点、波浪参数和风速下的受力情况．其中风速简化为AUV与水轴向相对速度，也就是AUV入水时具有沿x方向的速度．空投AUV不宜从高空直接抛载，低空空投或者伞降是较好的解决方法，伞降入水的速度一般是5~10 m/s，故AUV初始垂向速度设定为10 m/s，入水点见图4．10.13245/j.hust.210122.F004图4波高及入水点图4中H为波高，是在设定波高H0=1.0 m，λ=10 m条件下AUV入水点侧方5 m处的实际波高监测值．波浪参数仅波高和周期不同，波形和图4相似，故不再列出．波浪参数设定参考文献[13]，其他工况设置见表1，表中V0为初始入水侧向速度．工况A主要研究不同入水点对AUV的影响，工况B和C分别研究初始侧向入水速度和波浪参数对AUV受力影响．工况A和B中AUV初始垂向位置距水平面0.6 m，水平面为z=0的平面，也为波峰和波谷的中点处；工况C距水平面1.2 m．10.13245/j.hust.210122.T001表1计算工况工况波浪参数入水点V0/(m⋅s-1)AH0=1.0 m，λ=10 mⅠ~Ⅳ0.000BH0=1.0 m，λ=10 mⅢ0.0003.9515.00010.000CH0=0 mH0=0.5 m，λ=5 mH0=1.0 m，λ=10 mH0=1.5 m，λ=15 mH0=2.0 m，λ=20 mⅢ0.0003 数值计算结果及分析图5~8为工况A下不同入水点时AUV在z和x方向上的加速度及速度计算结果．通过设定不同的AUV释放时刻(开始运动时刻)使得AUV在不同位置处入水，图中加速度开始变化时刻即为释放时刻．可以看出：z方向上加速度和速度在不同入水点的变化趋势是极其相似的，AUV在释放后受到重力加速度作用向下运动，入水时刻受到较大冲击力作用而导致加速度反向，但冲击力作用时间较短，重力大于水的阻力导致加速度仍为负值(方向竖直向下)；随着AUV入水，湿表面积不断增大，水阻力急剧增大，并在入水一定程度后大于重力，加速度反向并变为正值(方向竖直向上)，其后速度降低水阻力减小，且AUV完全入水时刻存在一定的伴流作用，导致入水时刻加速度有明显降低的现象；在速度上表现为AUV在入水时刻速度(绝对值)略微降低后继续增大，增大到一定程度后开始降低；加速度和速度在不同入水点不同的主要原因是入水点高程的不同，Ⅰ点位置最高AUV入水前行程最短，Ⅳ点位置最低行程最大，Ⅱ点和Ⅲ点位置相似(Ⅱ点和Ⅲ点存在一定差别主要是因为无法精确控制入水点，高程上存在一定的差异)，所以除了由于重力作用导致入水时速度不同，在不同入水点z方向加速度和速度的差别是极小的．图7和8分别为工况A下不同入水点时AUV在x方向的加速度和速度．可以看出：Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ点的变化趋势是一致的，且Ⅰ点的变化幅度远远大于其他两点，Ⅲ的变化趋势和上述3点变化相反，主要是和波浪表面水质点的运动有关．10.13245/j.hust.210122.F005图5工况A下不同入水点时AUV在z方向加速度10.13245/j.hust.210122.F006图6工况A下不同入水点时AUV在z方向速度10.13245/j.hust.210122.F007图7工况A下不同入水点时AUV在x方向加速度10.13245/j.hust.210122.F008图8工况A下不同入水点时AUV在x方向速度根据斯托克斯二阶波假定，水质点运动近似于椭圆运动的轨迹，且在波浪传播方向有位移，可以视为水质点做圆周运动和迁移运动的叠加．圆周运动速度按式(3)计算，迁移速度为U=H2K2c0/4，(6)式中c0为波浪在z=0处的速度．在Ⅰ点处水质点做圆周运动的速度和迁移速度同向使得波峰处水质点在x方向具有较大的速度，计算可得Ⅰ点处水质点速度约为1.632 m/s，故AUV在波峰处入水x方向受力较大，Ⅱ和Ⅳ点主要为迁移速度，Ⅲ点处水质点做圆周运动的速度和迁移速度反向，计算可得Ⅲ点处速度约为-0.851 m/s，方向为x负方向，故Ⅲ点的变化规律和其他点的相反．图9和10分别为B工况下不同侧向入水速度时AUV在z和x方向的加速度．10.13245/j.hust.210122.F009图9工况B下不同侧向入水速度时AUV在z方向加速度10.13245/j.hust.210122.F010图10工况B下不同侧向入水速度时AUV在x方向加速度可以看出：不同初始侧向速度对z方向的加速度和受力几乎没有影响，主要对x方向受力产生影响．上面分析到Ⅲ点处水质点做圆周运动的速度和波速反向，且波速较小，AUV具有x正方向的速度相当于减小了波速，导致水质点做圆周运动的速度与波速差值进一步加大，x方向受力变化随x方向速度的增大而增大，从图10中得到了进一步印证．同样由于Ⅰ点处水质点做圆周运动的速度和波速同向，可以推断出一定范围内，AUV具有x正方向的速度越大，在Ⅰ点处入水受力越小．图11和12分别为工况C下不同波高时AUV在z和x方向加速度．可以看出：随着波高的增大，z方向的加速度变化幅度增大，但和上述分析一样，该变化主要是由入水点高程导致的，即不同波浪参数对z方向受力影响极小．根据式(3)和(6)，在Ⅲ点处5个不同波高下水质点的水平总速度分别为0.000，-0.602，-0.852，-1.042，-1.203 m/s，所以随着波高(或波长)的增大，波峰和波谷处水质点运动速度增大的幅度要大于迁移速度增大的幅度，故其受力也随之增大．10.13245/j.hust.210122.F011图11工况C下不同波高时AUV在z方向加速度10.13245/j.hust.210122.F012图12工况C下不同波高时AUV在x方向加速度4 结论a. 总体上看，空投AUV在低速入水条件下受到的冲击力并不是很大，在进行局部结构加强的条件下可满足AUV和设备安全要求．b. 相比于静水，波浪条件下的受力更大，且z方向增幅不大，主要是x方向受力增大，所以在设计阶段应着重考虑AUV侧向强度．c. 空投AUV在波峰和波谷处入水时受力最大，原因在于水质点迁移速度小于圆周运动速度．d．空投AUV随风速和波高的增大在波谷处入水受力会增大，所以恶劣海况下空投仍具有一定的风险．