0 引　言

随着社会的发展和科技的不断进步，未来战争中争夺信息优势，实施精确打击，完成战场特种作战任务的重要手段之一^[1]。无人化、智能化、信息化的武器系统已经成为现代武器装备的一种发展趋势。水面无人艇在军用方面，与相同尺度有人艇型相比，具有航速优势、低可视化、吃水小、续航里程大、设备布置方便且信息化、智能化程度高等优点，因此非常适合现代作战环境需求。在民用方面，海洋观测正在发生革命性的变化，主要体现在海洋观测的立体化、平台多样化、海洋观测的系统化和网络化^[2]。随着海洋资源开发利用的逐步深入和对海洋安全和海洋环境保护的广泛重视，当前迫切需要海洋观测平台长期、广域、经济、可靠、自主地执行海洋观测任务。

水面无人艇作为无人潜航平台，能够长期、自主、灵活、低成本地承担远海作业任务，因此在民用领域前景十分广阔^[3]。现阶段，水面无人艇的发展方向主要集中在：艇体平台型导线设计、感知硬件系统开发、单艇控制算法设计与优化、多艇协同集群算法、多艇协同集群算法等方面。

近几年，国内外无人艇艇体平台的研发主要以有人小型快艇为基础进行。无人艇艇体研制是一项新型的船型研制课题，高性能无人艇艇体平台的典型特征是高速、高适航性和高耐波性^[4]。

本文依据无人艇艇体中后部斜升角度的不同，确定了3种船型方案。采用CFD仿真计算软件STAR-CCM+对不同航速下船型方案进行模拟分析，对3组船型方案模拟结果进行对比分析，确定出更优的船型方案，并对最终确定的船型方案做船模试验，船模试验主要从不同排水量和艇体不同重心纵向位置2个角度出发研究了上述2个因素对该无人艇快速性和航行状态的影响。

1 型线设计

水面无人艇型线设计是一项关键技术，可提高水面无人艇的快速性和耐波性^[5]。中小尺度的无人艇型设计现阶段主要遵循传统的有人艇型，传统的有人艇型主要有：滑行艇、圆舭型艇、小水线面艇型，排水型艇、双体滑行艇、M型艇、水翼艇等。滑行艇在高速性能、稳定性和适航性、隐蔽性与生存能力以及维护与运营成本等方面都具有显著优势，因此本文采用滑行艇艇型，其主尺度研制要求如表1所示。

以一艘母型船的型线为基础，改变艇体横向斜升角。艇体中部横剖面的斜升角$ {\beta }_{b}={19}^{\circ} $保持不变，改变艇体中后部纵向龙骨线高度，艇体尾部#0站位的横向斜升角$ {\beta }_{a} $在12°～18°的范围内，每隔3°等间距变化，产生3种深V型艇型方案。其中，艇体尾部斜升角$ {\beta }_{a} $有18°、15°、12°共3种，与艇体中部横剖面的横向斜升角光顺连接。形成的艇型方案按$ {\beta }_{a} $的不同值，依次编号方案1、方案2、方案3，具体如图1和表2所示。

2 数值仿真分析 2.1 计算原理

在解决船舶流体力学问题时，假设海水不可压缩，则流动介质的连续方程为：

$ \frac{\partial }{\partial {x}_{i}}(\rho {u}_{i})=0。$

(1)

对于不可压缩流体，瞬时流动的N-S方程可写为：

$ {\displaystyle\frac{\partial (\rho {v}_{i})}{\partial t} + \frac{\partial }{\partial {x}_{i}} （\rho {u}_{i}{u}_{j}） = -\frac{\partial p}{\partial {x}_{i}} + \frac{\partial }{\partial {x}_{i}}(v\frac{\partial {u}_{i}}{\partial {x}_{j}} - \rho \overline{{u}_{i}^{\mathrm{{'}}}{u}_{j}^{\mathrm{{'}}}}) + {S}_{i}} 。$

(2)

式中：$ {i}、{j}=1，2，3；{\rho } $为流体密度；$ {\nu } $为动力粘度系数；$ {u}_{i}\mathrm{、}{u}_{j} $为速度分量的时间平均值；$ {u}_{i}^{{{'}}}\mathrm{、}{u}_{j}^{{{'}}} $为速度分量的脉动量，$ p $为压力平均值；$ \overline{{u}_{i}^{{{'}}}{u}_{j}^{{{'}}}} $为速度脉动乘积的时间平均值；$ {S}_{i} $为广义源项。

对上述瞬时流动的N-S方程封闭采用SST k−ω湍流模型。SST k−ω湍流模型为两方程模型，相应的k方程和ω为：

$ \frac{\partial }{\partial t}(\rho k)+\frac{\partial }{\partial {x}_{i}}(\rho k{u}_{i})=\frac{\partial }{\partial {x}_{j}}\left({\mathrm{\Gamma }}_{k}\frac{\partial k}{\partial {x}_{j}}\right)+\widetilde{{G}_{k}}-{Y}_{k}+{S}_{k} ，$

(3)

$ \frac{\partial }{\partial t}(\rho \omega) + \frac{\partial }{\partial {x}_{i}}(\rho \omega {u}_{i}) = \frac{\partial }{\partial {x}_{j}} \left({\mathrm{\Gamma }}_{\omega }\frac{\partial \omega }{\partial {x}_{j}}\right) + \widetilde{{G}_{\omega }} - {Y}_{\omega } + {S}_{\omega } + {D}_{\omega } 。$

(4)

式中：$ k $和$ \omega $分别为湍动能和比耗散率；$ {\mathrm{\Gamma }}_{k} $和$ {\mathrm{\Gamma }}_{\omega } $分别为$ k $和$ \omega $的有效扩散率；$ {Y}_{k} $为$ k $的耗散；$ {Y}_{\omega } $为$ \omega $的耗散；$ {G}_{k} $为$ k $的产生项；$ {G}_{\omega } $为$ \omega $的产生项；$ {D}_{\omega } $为交叉扩散项；$ {S}_{k} $和$ {S}_{\omega } $为自定义源项。

2.2 船模参数

为了减少计算时间和计算成本，本文缩尺比为1∶4的船模计算，主要参数如表3所示。

2.3 计算域和边界条件

本文仿真计算采用全模方式。模型的计算区域和边界条件如图2所示，L_PP为艇体长度。采用重叠网格计算，重叠网格技术的计算域包含静态的背景计算域和随艇体运动的重叠域。计算区域长度、宽度和高度分别为9L_PP、4L_PP、4.5L_PP，入口边界距艇首L_PP，计算域顶部距艇底1.5L_PP。其中入口边界设为速度口，左右两侧边界设为速度，底部边界也设为速度口，计算域的出口设为压力出口，艇体表面设为无滑移壁面边界。消波区设在距压力口3L_PP范围内，以避免波浪反射。

在无人艇艇体周围及自由液面等局部进行网格细化，在无人艇周围设置开尔文系形状的网格加密区。计算域网格水平截面分布如图3所示，计算域网格共计234万网格。

2.4 仿真计算结果

通过艇体尾部横向斜升角的不同产生了3个船型方案，基于STAR-CCM+软件，进行耐波性能和快速性能的数值模拟运算。当船舶在波浪中航行时，其运动可以分解为6个自由度方向上的运动，船舶的摇荡运动中纵摇以及升沉运动对船舶的航行影响很大，因此本文在数值模拟计算时，取静水中12个不同航速，分别模拟计算阻力、纵倾值和升沉幅度数值，具体结果如表4～表6所示。

1）阻力仿真结果

通过表4可知，船型方案1至船型方案3随着航速的增加，其阻力值均有所增加。方案1～方案3的斜升角度逐渐减小，导致船体肥大，进而阻尼增加，是导致上述现象的主要原因。

2）升沉仿真结果

通过表5可知，随着斜升角的减小，升沉幅值在方案1～方案3中减小。但通过对3个方案的对比可以看出，方案3的上涨幅度比方案2的上涨幅度要大。

3）纵倾仿真结果

通过表6可知，随着斜升角的减小，纵倾值也随之减小。但对比3个方案可知，方案3的纵倾幅值降幅小于方案2纵倾幅值降幅。

综合对比3种型线方案在阻力、升沉及纵倾方面的表现可知：方案1阻力最小，性能最优，但升沉、纵倾幅值最大，性能最差；方案2的阻力数值居中，升沉和纵倾数值与方案3相差不大。虽然方案3在升沉及纵倾性能上最优，但是其在降低升沉和纵倾幅值方面的作用优势不明显，且其阻力增幅大于方案2。故最终选取方案2作为最终型线方案。

3 水池试验 3.1 试验方案

本试验确定了3个排水量和3个重心纵向位置，共5种工况，以探究不同排水量和不同重心纵向位置对艇型性能的影响。船模缩尺比为1∶4，静水试验速度共12个，主要测量参数包含静水试验中的阻力、升沉（重心处）和纵倾角，具体工况如表7所示。

3.2 试验结果及分析 3.2.1 排水量对艇体性能的影响

1）阻力的影响

由表8、图4、图5可知，随着排水量增大，艇体阻力也逐渐增大。在V_m＜8 m/s时，排水量增大导致R_m/Δ增大；在V_m＞8 m/s时，排水量增大导致R_m/Δ减小。由上述船模试验数据可知，在主机功率需用范围内，在V_m＞8 m/s时，该艇型随着排水量的增大，单位排水量阻力减小，油耗降低，经济性提高。

2）升沉的影响

由表9、图6可知，在V_m＜4 m/s时，排水量增大导致升沉幅值减小；在V_m＞4 m/s时，排水量增大导致升沉幅值增大。由图7可知，该型艇在高速航行时增大排水量，单位排水量升沉幅值降低。

3）纵倾的影响

由表10、图8、图9可知，随着排水量的增大纵倾幅值增大；但在相同排水量下，随着航速的增大纵倾幅值先增大后减小；排水量越大，纵倾幅值越大，这由重心靠近艇体中后部造成。排水量增大导致θ/Δ增大减小。无人艇高速航行时增大排水量，单位排水量纵倾值降低。

3.2.2 重心纵向位置对艇体性能的影响

1）阻力的影响

由表11、图10可知，在V_m＜5.1 m/s时，重心纵向位置后移导致阻力增大；在V_m＞5.1 m/s时，重心纵向位置后移阻力减小。当该船型设计航速较低时，可以通过总布置使艇体重心向艇首方向前移，进而降低航行阻力；当该船型设计航速较高时，可以通过总布置使艇体重心向艇尾方向后移。

2）升沉的影响

由表12、图11可知，随着重心纵向位置向艇尾后移距离的增大，艇体升沉幅值也逐渐增大。当航速V_m＞8 m/s后，升沉幅值涨幅逐渐变缓，趋于稳定。

3）纵倾的影响

由表13、图12可知，随着重心纵向位置向艇尾后移距离的增大，艇体纵倾幅值也逐渐增大。当航速V_m＞14 m/s后，艇体纵倾幅值出现无规律变化。

4 结　语

本文以无人艇艇体中后部不同斜升角为依据，设计了3种不同的无人艇型线方案，通过模拟计算静水中的快速性和航行性能，最终确定了性能良好的型线方案，对最优方案的艇型做水池试验。得出以下结论：

1）从阻力性能和航行性能2个主要指标来看，过大的斜升角度会使艇体的升沉和纵倾性能变差，过小的斜升角度对升沉和纵倾幅值的改善作用有限，但明显地增加了阻力。

2）重心纵向位置对滑行艇的航行稳定性以及阻力性能均具有显著影响，在设计过程中需要合理确定重心纵向位置，确保滑行艇具有良好的综合性能。影响艇体性能因素很多，本文针对排水量及重心纵向位置2个因素展开研究，通过船模试验得出不同排水量下对艇体性能的影响如下：

①阻力性能。排水量增大，阻力值增大。在低速阶段，排水量增大，导致R_m/Δ增大；在高速阶段时，排水量增大导致R_m/Δ减小。在主机功率许用范围内，无人艇高速航行时增大排水量，单位排水量阻力减小，油耗降低，经济性提高。所以严格控制高速艇的重量依然是最好的速度提升方式。

②升沉性能。排水量增大，升沉幅值增大，但单位升沉幅值h/Δ随排水量增大而减小。

③纵倾性能。航速增大，纵倾幅值先增大后减小；排水量增大时，纵倾幅值增大且单位纵倾幅值θ/Δ随排水量增大而减小。

3）通过船模试验得出不同重心纵向位置对艇体性能的影响如下：

①阻力性能。在无人艇船型设计时，设计航速较低时，可以通过总布置使艇体重心向艇首方向前移降低阻力，设计航速较高时，可以使艇体重心向后移降低阻力。

②升沉性能。在船模速度小于8 m/s时，随着重心纵向位置向艇尾后移距离的增大，升沉幅值逐渐增大，超过8 m/s后，趋向于稳定。

③纵倾性能。航速增大，随着重心纵向位置向艇尾后移距离的增大，纵倾幅值逐渐增大，超过一定航速之后，纵倾幅值出现无规律变化。

4）实验数据对比发现，从快速性角度出发，排水量的变化对艇体的阻力性能影响较重心纵向位置大。从升沉角度出发，当船模速度超过5 m/s排水量的增大导致生沉幅值增幅较大，重心纵向位置对升沉幅值有影响，但数值波动不大。从纵倾角度出发，当船模航速超过9 m/s时，排水量对纵倾影响不大，当船模速度超过14 m/s时，重心纵向位置对纵倾影响不大。