﻿ 海上火箭回收过程中船舶耦合运动响应分析
 舰船科学技术  2023, Vol. 45 Issue (10): 35-40    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2023.10.008 PDF

1. 哈尔滨工程大学 烟台研究生院，山东 烟台 264000;
2. 中集海洋工程研究院有限公司，山东 烟台 264670

Coupled analysis of ship during marine rocket recovery
WANG Zhi1,2, LIU Da-hui1,2, WANG Shou-jun2, TENG Yao2
1. Yantai Research Insititute, Harbin Engineering University, Yantai 264000, China;
2. CIMC Offshore Engineering Institute, Yantai 264670, China
Abstract: In order to analyze the motion response of ship under the coupling action of rocket impact load, mooring force and wave force in the process of marine rocket recovery, Based on the FVM, the time history curve of the impact load of gas jet on the deck during marine rocket recovery is calculated in time domain. Then, the coupling algorithm is used to combine the impact load model with the platform motion and establish the dynamic coupling analysis of the recovery ship. Based on this, the influence of different landing points along the length and width of the ship on the ship motion is discussed. It is concluded that the increase of eccentric distance of rocket landing point will increase the amplitude of ship motion. Some results can provide data for the attitude control of rocket recovery at sea.
Key words: marine rocket recovery     computational fluid dynamics     impact load     coupled motion
0 引　言

1 理论基础 1.1 垂直燃气射流冲击载荷

 ${{F}}_{{T}}=2\mathrm{{\text{π}} }\mathrm{sin}\mathrm{\theta }{\int }_{0}^{{{r}}_{{e}}}({{p}}_{{e}}-{{p}}_{{a}}+\mathrm{\rho }{\mathrm{v}}^{2}\mathrm{cos}\mathrm{\alpha }){r}\mathrm{d}{r} 。$ (1)

 ${{F}}_{{T}}=2{{A}}_{{e}}\mathrm{sin}\mathrm{\theta }{\int }_{0}^{1}\left[{{p}}_{{e}}-{{p}}_{{a}}+{{p}}_{{e}}\mathrm{\gamma }{\mathrm{M}\mathrm{a}}_{{e}}^{2}{\left(\mathrm{cos}\mathrm{\alpha }\right)}^{2}\right]\frac{{r}}{{{r}}_{{e}}}\mathrm{d}\left(\frac{{r}}{{{r}}_{{e}}}\right)。$ (2)

 ${{F}}_{{T}}={{A}}_{{e}}{{p}}_{{e}}(1-\frac{{{p}}_{{a}}}{{{p}}_{{e}}}+\mathrm{\gamma }{\mathrm{M}{a}}_{{e}}^{2})。$ (3)
1.2 时域船舶耦合运动方程

 $\left[{{\boldsymbol{M}}}+{{\boldsymbol{u}}}\right]\ddot{{x}}+{\int }_{-\mathrm{\infty }}^{{t}}\left[{k}\left({t}-\mathrm{\tau }\right)\right]\dot{{x}}\mathrm{d}{\tau }+{{\boldsymbol{C}}}{{{x}}}={F} 。$ (4)

 $\begin{split} & \left[{M}+{u}\right]\ddot{{x}\left({t}\right)}+{\int }_{-\mathrm{\infty }}^{\mathrm{t}}\left[{k}\left({t}-\mathrm{\tau }\right)\right]\dot{{x}\left({t}\right)}\mathrm{d}\mathrm{\tau }+{C}{x}\left({t}\right)=\\ & {{F}}_{{w}}^{1}\left({t}\right)+{{F}}_{{w}}^{2}\left({t}\right)+{{F}}_{{m}}+{{F}}_{{T}}，\end{split}$ (5)
 ${k}\left({t}\right)=\frac{2}{{\text{π}} }{\int }_{0}^{t}{\lambda }_{ij}\left(\omega t\right){\rm{d}}\omega ,\;\;i,j=1,\cdots ,6 。$ (6)

2 模型描述 2.1 火箭燃气射流模型 2.1.1 几何模型

 图 1 燃气射流计算域初始几何模型 Fig. 1 Initial geometric model of calculation domain of gas jet
2.1.2 边界条件

2.1.3 网格条件

 图 2 燃气射流计算域网格 Fig. 2 Gas jet computational domain mesh
2.2 海上火箭回收船舶模型

3 结果与讨论 3.1 海上火箭回收过程中燃气冲击流场数值模拟 3.1.1 静态冲击载荷数值模型验证

 图 3 H=8.74R时挡板上的静压比试验与模拟对比图 Fig. 3 Comparison between experiment and simulation of static pressure ratio on baffle when H=8.74R

 图 4 H=8.74R时数值模拟的速度云图与试验纹影图的对比 Fig. 4 Comparison between simulation velocity contours and experimental schlieren diagram at H=8.74R
3.1.2 火箭垂直降落阶段冲击流场分析

1）火箭燃气射流为可压缩的理想气体，不考虑燃烧、化学反应，忽略热损失。不考虑多相流，火箭喷管入口的参数为恒定值。

2）假设垂直降落阶段火箭以5 m/s的恒定速度降落，并将火箭降落的速度等价于挡板靠近火箭尾喷管的速度。忽略由于喷出燃气流所引起的箭体质量减少。

 图 5 挡板上距射流轴线不同距离处的总压随时历曲线 Fig. 5 Variation curve of total pressure with time at 0 m and 4 m from jet axis on baffle

 图 6 火箭回收过程中甲板受到的冲击载荷时历曲线 Fig. 6 Time history curve of impact load on deck during rocket recovery
3.1.3 全过程冲击载荷分析

 ${{F}}_{{T}}=\left\{\begin{array}{l}788462t-378461538\text{，}{{t}}_{1}\leqslant t < {{t}}_{2}，\\ {{F}}_{{p}}\text{，}{{t}}_{2}\leqslant t < {{t}}_{3}，\\ -20400000t+10424400000\text{，}{{t}}_{3}\leqslant t < {{t}}_{4}。\end{array}\right.$ (7)

3.2 不同火箭落点对船舶运动响应的影响

 图 7 回收落点范围及具体落点示意图 Fig. 7 Specific falling point diagram of recovery
3.2.1 静水中的船舶运动分析

 图 8 静水状态下不同落点的船舶运动时历曲线 Fig. 8 Time history curve of ship motion with different rocket landing points distributed along the bow
3.2.2 波浪下船舶运动分析

 图 9 沿船长分布的不同落点船舶运动时历曲线 Fig. 9 Time history curve of ship motion with different rocket landing points distributed along the bow side

 图 10 沿船宽分布的不同落点船舶运动时历曲线 Fig. 10 Time history curve of ship motion with different rocket landing points distributed along the port side
4 结　语

1）本文使用的数值模拟方法可用于海上火箭回收全过程中的船舶水动力计算，后续可以应用于不同的火箭、回收船舶或平台上。

2）对于恒推力的火箭喷管，回落过程中燃气尾流对甲板的冲击载荷变化并不明显，呈震荡收缩的趋势，最终维持在20400 kN左右；

3）最佳的火箭回收落点位置为船体重心所对应的甲板位置，此时船舶的横摇纵摇及垂荡运动偏移量最小，随着偏心距离的增大，船舶运动幅值也会增大。当落点位于沿船宽偏心15 m时，横摇偏移量最大，约为2.898°。当回收落点位于沿船长偏心15 m时，纵摇偏移量最大，约为0.267°。

4）根据回收船舶在作业海况及静水状态下的时历曲线可知，中低海况波浪力的添加会增大横摇和纵摇的极值偏移量，但其影响较不同火箭回收落点带来的变化并不明显。

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