深海应急救生舱波浪中的运动响应数值分析

(中国船舶科学研究中心 a.深海载人装备国家重点实验室；b.软件工程技术中心，江苏 无锡 214082)

深海载人潜航器在水下作业，可能遭遇到暗流、碰撞、掉深，以及误操作等风险。虽然常规脱险救生方法[1]有很多，如快速漂浮自救脱险、减压自救脱险、救生钟/艇援救脱险，但对于大潜深的载人潜航器而言，深海应急救生舱几乎是解决水下全体乘员安全保障问题唯一有效的救生手段。深海应急救生舱在国外的作战潜艇上应用较多。苏联705型潜艇上首次装备了应急救生舱，该救生舱的救生深度可达到1 500 m。国内以往针对深海应急救生舱的研究都集中在深海应急救生舱的材料特性[2]、结构安全[3]以及上浮过程安全稳定[4]等方面，对于深海应急救生舱上浮出水后，在水面风浪中的摇荡运动特性研究未见报道。由于深海应急救生舱在水面等待救援的时间具有不确定性，过度的摇荡运动会威胁舱内乘员的生命安全，因此在深海应急救生舱设计过程中，应充分关注其在水面风浪中的摇荡运动特性。为此，运用粘性CFD软件计算3种不同浮力材料体积配置的深海应急救生舱在水面规则波中横摇和垂荡运动频响曲线，然后通过统计分析方法对比分析3种计算模型在三级、四级和五级海况下摇荡运动结果，揭示浮力材料的体积配置对深海应急救生舱水面耐波性能的影响规律。

1 数值模拟

1.1 计算模型

深海应急救生舱的浮力材料体积配置主要考虑总体平衡、上浮过程安全稳定等因素，但也应兼顾水面耐波性能。设定3种计算模型，分别是配置3种浮力材料的深海应急救生舱，救生舱载人舱主体质量3.712 t，排水体积3.458 m3。浮力材料密度480 kg/m3，海水密度1 025 kg/m3。浮力材料最小体积选取约0.5 m3，是考虑了深海应急救生舱在静水面的干舷，其上浮至水面后，需要起吊出水，因此起吊点要突出水面；而浮力材料最大体积约2.0 m3选取是考虑了包覆深海应急救生舱的围壳尺寸。

深海应急救生舱的坐标系原点固定在载人舱球壳球心处，浮力材料外形是侧面为等腰梯形的直四棱柱，不同体积浮力材料侧面形状相同，但侧棱长度不同。定义沿侧棱长度方向为X轴，沿等腰梯形的高度方向为Z轴，由右手定则确定Y轴。定义深海应急救生舱绕X轴转动为横摇，绕Y轴转动为纵摇，沿Z轴运动为垂荡。鉴于载人舱主体为回转体，而浮力材料沿X轴方向的长度大于沿Y轴方向的长度，深海应急救生舱在水面的横摇运动比纵摇运动更加剧烈，因此主要关注深海应急救生舱的横摇和垂荡运动。配置1.0 m3浮力材料的深海应急救生舱二维投影图及三维模型见图1。

图1 配置约1.0 m3浮力材料的深海应急救生舱的二维投影及三维模型

3种深海应急救生舱模型主要参数见表1，吃水情况见图2。

表1 3种深海应急救生舱模型主要参数

图2 3种不同体积浮力材料的深海应急救生舱吃水情况

1.2 CFD计算原理

采用CFD软件以雷诺时均N-S方程为基本方程，时均连续性方程具体形式为

(1)

动量方程具体形式为

(2)

式中：ρ为流体密度；μ为流体粘度；p为静水压力；Si为质量力；ui、uj为速度分量。

湍流模型选择SSTk-ω模型，船体运动使用重叠网格技术，自由液面使用VOF法捕捉。

1.3 计算域设置及网格划分

模型关于XZ平面对称，为减小计算量，取半模进行计算，计算域大小设置如下：①入口距离模型4倍船长，边界条件为速度入口；②出口距离模型2倍波长，边界条件为压力出口；③上、下边界均为对称面；④左边界距离模型3倍船长，左、右边界均为对称面；⑤船体表面设置成无滑移、不可穿透壁面。

规则波选择斯托克斯一阶波，波高使用30个网格捕捉，波长使用180个网格捕捉，计算迭代次数10次，同时局部细化船模贴壁网格，保证壁面y+值在30～300之间，半模网格数最大为350万左右。

1.4 数值方法可靠性分析

选取对数值计算结果影响较大的网格划分进行分析。

以约1.0 m3浮力材料体积配置的深海应急救生舱在波幅0.032 m，波浪周期3.55 s的水面规则波上的运动为例，分析网格对深海应急救生舱计算结果的影响。通过改变背景网格尺寸，对比网格数为218万、280万和420万的算例计算的运动幅值，结果见表2。

表2 不同网格数算例运动幅值对比

可以看出，随着网格数的增加，深海应急救生舱的横摇和垂荡幅值并没有出现较大的变化，说明网格对计算结果的影响很小，考虑到计算机计算能力，选用280万网格算例的网格尺寸作为后续计算的基础网格尺寸。

2 结果及分析

2.1 规则波中线性频响计算

分别计算约0.5、1.0和2.0 m3浮力材料体积配置的深海应急救生舱在水面规则波中横摇和垂荡运动的线性频响函数曲线，结果见图3。

图3 3种浮力材料体积配置深海应急救生舱横摇和垂荡运动频响函数对比

由图3a)可知，随着深海应急救生舱配置的浮力材料体积增加，其横摇运动越来越剧烈，共振频率也逐渐增大。从图3a)中可以看出浮力材料体积配置在0.5～2.0 m3之间，深海应急救生舱的横摇频响函数峰值变化非常迅速，说明深海应急救生舱浮力材料配置体积对深海应急救生舱水面耐波性能有较大的影响。

对比图3b)中浮力材料体积配置约0.5 m3和1.0 m3的深海应急救生舱，垂荡频响峰值没有太大变化，但各频率下的垂荡频响值都有所增加，垂荡运动剧烈程度增长较缓和；对比浮力材料体积配置约为1.0 m3和2.0 m3的深海应急救生舱，垂荡频响峰值增长较快，深海应急救生舱的垂荡运动迅速加剧。

2.2 不规则波中横摇和垂荡的统计特性预报

基于所得深海应急救生舱在规则波中横摇和垂荡频响函数，根据统计分析原理，按照《船舶原理(下)》中船舶摇荡预报的一般程序对深海应急救生舱在不规则波中横摇和垂荡的统计特性进行预报。

选用ITTC双参数谱，以北半球海浪年平均资料[5]为输入，选取计算海况为三级、四级和五级海况。其中，三级海况的三一平均波高为1.25 m，波浪平均周期为4～9 s，最可能周期为5.79 s；四级海况的三一平均波高为2.5 m，波浪平均周期5～9 s，最可能周期为6.79 s；五级海况的三一平均波高为4 m，波浪平均周期6～9 s，最可能周期为7.48 s。

不同海况下3种深海应急救生舱在不同波谱平均周期下的横摇三一平均幅值曲线见图4。

图4 不同海况下3种深海应急救生舱在不同波谱平均周期下的横摇三一平均幅值

由图4可以看出，三级、四级和五级海况下，波浪谱平均周期一定时，深海应急救生舱的浮力材料配置体积越大，则横摇三一平均幅值越大，水面耐波性能越差。因此要想获得良好的耐波性能，深海应急救生舱浮力材料配置体积应该越小越好。

同时适航性衡准要求[6]规定，在研制总要求无特殊规定时，舰船的最大横摇角应小于45°，由图4可知，四级和五级海况下，浮力材料体积配置约1.0 m3和2.0 m3的深海应急救生舱在一定范围的波谱平均周期下，横摇三一平均幅值接近或超过了45°，而浮力材料体积配置0.5 m3的深海应急救生舱的横摇三一平均幅值符合规范要求，说明浮力材料体积配置越小，深海应急救生舱可安全作业的海况等级就越高。除此之外，深海应急救生舱的浮力材料配置体积在0.5～1.0 m3之间的横摇三一平均幅值的变化速度远大于体积在1.0～2.0 m3之间的横摇三一平均幅值的变化速度，这对深海应急救生舱浮力材料的体积配置选择有重要的工程指导意义，可以更加灵活的配置浮力材料体积。

不同海况下3种深海应急救生舱在不同波谱平均周期的垂荡三一平均幅值曲线见图5。

图5 不同海况下3种深海应急救生舱在不同波谱平均周期的垂荡三一平均幅值

由图5可以看出，三级、四级和五级海况下，最可能的波谱平均周期附近的三种浮力材料体积配置深海应急救生舱的垂荡三一幅值相差不大，且浮力材料配置体积约0.5 m3的深海应急救生舱的垂荡三一幅值还略大于其他两种模型。这和三种模型的垂荡频响曲线规律不同，这是因为浮力材料配置体积约1.0 m3和2.0 m3的深海应急救生舱的频响共振周期均严重偏离了波谱的谱峰周期，因此其垂荡三一幅值反而较小。

3 结论

1)浮力材料的体积配置对深海应急救生舱水面耐波性能影响极大，在满足总体要求和上浮过程安全稳定的基础上，深海应急救生舱的浮力材料配置体积越小，其耐波性能越好，因此浮力材料配置体积约0.5 m3的深海应急救生舱水面耐波性能最佳。

2)为了能让深海应急救生舱能在更高等级的海况下安全工作，充分发挥其实用价值，深海应急救生舱的浮力材料配置体积也应尽可能小。

今后应进一步探究不同浮力材料形状对深海应急救生舱上浮过程的水动力性能及水面耐波性能的影响。