周敬國(guó)，權(quán)曉波，程少華

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海浪環(huán)境對(duì)航行體出水特性影響研究

周敬國(guó)1，權(quán)曉波2，程少華2

（1. 海軍裝備部，北京，100073；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

海浪環(huán)境對(duì)航行體出水過(guò)程具有較大影響，是當(dāng)前流體動(dòng)力研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外海浪環(huán)境及其對(duì)出水航行體特性的影響，介紹了海浪環(huán)境相關(guān)研究成果，而后從理論分析、數(shù)值仿真、水下控制等方面總結(jié)了海浪對(duì)航行體出水特性影響的計(jì)算方法，并對(duì)后續(xù)發(fā)展和研究方向進(jìn)行了討論。

水下航行體；海浪；空泡

0 引 言

海浪是海水運(yùn)動(dòng)的重要形式之一，組成海浪的水質(zhì)點(diǎn)做周期性的往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)，在時(shí)間和空間上交替出現(xiàn)的波動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于水下航行體而言，波浪載荷是其所受外力的重要組成部分，并對(duì)航行體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)軌跡造成影響。特別是當(dāng)航行體涉及出水運(yùn)動(dòng)時(shí)，海浪水質(zhì)點(diǎn)速度較大，波浪載荷對(duì)航行體浸沒(méi)區(qū)受力的影響起到主要作用，從而直接決定其水下受力特性與運(yùn)動(dòng)軌跡。波浪載荷作用下航行體出水特性是開展水下航行體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

近年來(lái)隨著海軍對(duì)實(shí)戰(zhàn)化能力要求的不斷提高，航行體對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境的適應(yīng)能力受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，海洋環(huán)境對(duì)航行體出水運(yùn)動(dòng)的影響具有較大的工程設(shè)計(jì)難度，一方面自然界中存在的海浪變化特性十分復(fù)雜，海浪呈現(xiàn)出高低、長(zhǎng)短雜亂無(wú)章的特征，航行體出水時(shí)海浪自由界面具有較大的隨機(jī)性；另一方面航行體在穿越自由液面的過(guò)程中，同時(shí)處于氣、水2種不同的介質(zhì)中，在較短的時(shí)間內(nèi)將承受劇烈變化的力和力矩，航行體受力具有明顯的非線性和非定常特性[1,2]。波浪隨機(jī)性對(duì)出水航行體非線性受力的影響研究，已經(jīng)成為流體力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

本文針對(duì)波浪對(duì)航行體的出水運(yùn)動(dòng)影響研究問(wèn)題，介紹了目前海洋環(huán)境的相關(guān)研究成果，分析了常用的海浪影響下航行體出水計(jì)算方法，總結(jié)了海浪對(duì)航行體流體動(dòng)力、彈道、水下控制方面的研究?jī)?nèi)容，對(duì)后續(xù)的發(fā)展和研究方向進(jìn)行了展望。

1 海浪環(huán)境

建立可反映真實(shí)海浪的波浪模型是準(zhǔn)確確定波浪載荷的前提。對(duì)于復(fù)雜的海浪波動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)不斷地將實(shí)際觀測(cè)值和理論值相比較、修正，形成有效的海浪理論模型、實(shí)現(xiàn)對(duì)海浪環(huán)境的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，是海洋環(huán)境研究的重要工作內(nèi)容[3]。伴隨著航海的發(fā)展和遠(yuǎn)洋資源的開發(fā)利用，人類對(duì)于海洋、波浪的研究取得了很大的進(jìn)展，形成了基于線性邊界條件假定的有限振幅水波理論和基于具有各態(tài)歷經(jīng)性的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程假定的隨機(jī)海浪理論。

有限振幅水波理論將海浪運(yùn)動(dòng)視為確定的函數(shù)形式，通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)分析揭示各種情況下海浪的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)建立線性波、Stokes波、余弦波、孤立波理論等多種解析方法來(lái)分析波浪中流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和參數(shù)分布等，構(gòu)成海浪環(huán)境對(duì)航行體水下運(yùn)動(dòng)研究的理論基礎(chǔ)。

線形波模型最初由Airy于1845年提出，又稱為Airy波理論，也被稱作正弦波（或余弦波）。線性波波浪要素如下所述。

速度勢(shì)函數(shù)：

波面方程：

（2）

色散方程：

由速度式函數(shù)式（1）可求得一階近似的速度場(chǎng)為

（5）

式（3）為色散方程，其規(guī)定了波浪的頻率與波數(shù)之間的關(guān)系，即確定了波長(zhǎng)與波浪周期之間的關(guān)系。

在極限情況下對(duì)于無(wú)限深度的水質(zhì)點(diǎn)而言，波浪的速度勢(shì)函數(shù)可表述為

線性波理論是各種波浪理論中最為基本的理論，其概念清晰，公式簡(jiǎn)明，運(yùn)用方便，在海洋與海岸工程研究中被廣泛應(yīng)用，并解決了許多相關(guān)工程問(wèn)題。與此同時(shí)，線性波理論還被應(yīng)用到非規(guī)則波的波譜理論當(dāng)中，用于生成非規(guī)則波。因此，說(shuō)線性波理論是一種應(yīng)用面較為廣泛的波浪理論，在波浪理論中占有相當(dāng)重要的地位，線性波不同相位下波浪速度方向如圖1所示。

圖1線性波不同相位下波浪速度方向示意

隨機(jī)海浪理論將海浪運(yùn)動(dòng)視為隨機(jī)過(guò)程，通過(guò)隨機(jī)過(guò)程理論分析給出各種情況下海浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性。將海浪波動(dòng)視為由無(wú)限多個(gè)頻率不等、方向不同、振幅變化而相位雜亂的有限振幅水波疊加而成的不規(guī)則波系。其波面方程可以表示為

觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累、海浪統(tǒng)計(jì)理論的建立以及風(fēng)浪生成、耗散、非線性波相互作用理論研究的深入為隨機(jī)海浪環(huán)境的建模奠定了基礎(chǔ)[4]。從目前應(yīng)用廣泛性上來(lái)看，對(duì)隨機(jī)海浪模型的研究主要采用海浪譜經(jīng)驗(yàn)描述方式，這也為隨機(jī)海浪對(duì)航行體出水過(guò)程的研究提供了模型手段。

自20世紀(jì)50年代初Pierson等人率先將頻率譜分析方法應(yīng)用于海浪，利用隨機(jī)譜描述海浪成為主要研究途徑；Phillips利用量綱分析方法得到5指數(shù)形式的高頻頻率譜；Pierson和Moskowitz利用北大西洋的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出了P-M譜，把Phillips方法擴(kuò)展至整個(gè)海浪譜段；德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)和荷蘭等國(guó)有關(guān)組織于1968～1970年進(jìn)行的“聯(lián)合北海波浪項(xiàng)目”是一次迄今最系統(tǒng)的海浪觀測(cè)工作，在此工作的基礎(chǔ)上提出JONSWAP譜；1990年中國(guó)文圣常教授基于能量平衡方程提出文圣常譜。從總體上來(lái)看，目前各種譜模型都是依據(jù)世界不同海區(qū)的觀測(cè)資料而得到的具有一定經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的譜表達(dá)式，由于采用的方法、數(shù)據(jù)源不同，各種波浪譜之間差別較大，而且波浪譜的形式直接影響動(dòng)力計(jì)算結(jié)果。因此，在實(shí)際使用時(shí)有必要對(duì)國(guó)內(nèi)外各種典型波浪譜的適用性加以分析和選擇。目前，適用范圍較為廣泛的為P-M譜，其表達(dá)式為

2 海浪環(huán)境對(duì)水下航行體運(yùn)動(dòng)特性影響

2.1 海浪對(duì)航行體運(yùn)動(dòng)特性影響計(jì)算方法

海浪環(huán)境對(duì)水下航行體運(yùn)動(dòng)特性的計(jì)算方法，可以追溯至1955年Korvin-Kroukovsky切片概念的提出和Morison計(jì)算柱體在海浪環(huán)境中載荷經(jīng)驗(yàn)公式，到了20世紀(jì)70年代，切片理論的研究常采用多極展開法與源分布密切擬合的勢(shì)流計(jì)算方法。近年來(lái)，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，更多的是采用求解常微分方程與N-S方程耦合的全三維方法[5~7]。

在海洋工程設(shè)計(jì)中，通常采用Morison公式計(jì)算小構(gòu)件的波浪載荷。Morison于1950年在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出計(jì)算垂直于海底的剛性柱體上的波浪載荷計(jì)算公式。該公式假定柱體的存在對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)無(wú)顯著影響，認(rèn)為波浪對(duì)柱體的作用主要是粘滯效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)。Morison公式給出豎直圓柱單位長(zhǎng)度上受到的水平波浪力為

Morison公式物理概念清晰、簡(jiǎn)便實(shí)用，但其計(jì)算精度將受到試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的影響，特別是水下航行體尺寸大到一定程度時(shí)，Morison公式的適用性需要進(jìn)一步研究。在此基礎(chǔ)上，勢(shì)流理論由于其計(jì)算精度和可靠性較高在波浪對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)影響研究中獲得廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了切片法、STF方法、二維半方法等[8,9]。針對(duì)海浪影響下水下航行體出水過(guò)程，一般忽略自由液面效應(yīng)，且由于航行體直徑遠(yuǎn)小于海浪波長(zhǎng)，僅考慮入射波的影響，基于海浪理論開展海浪對(duì)航行體運(yùn)動(dòng)及受力特性影響研究。

上述方法由于采用流場(chǎng)的相關(guān)假設(shè)，將波浪條件下復(fù)雜流場(chǎng)壓力分布結(jié)構(gòu)處理成解析解或經(jīng)驗(yàn)公式的方式，具有主要特征突出、計(jì)算效率高等特點(diǎn)，是目前開展規(guī)則波和隨機(jī)海浪對(duì)全濕流航行體出水特性研究的主要技術(shù)手段。但由于未能考慮海水粘性、表面張力的影響，計(jì)算的可信度尚需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，且在涉及帶空泡航行體出水問(wèn)題時(shí)存在較大的局限性。

隨著數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展，通過(guò)N-S方程的數(shù)值造浪手段模擬海面波浪的流場(chǎng)，并結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)航行體在帶波浪水面下運(yùn)動(dòng)的模擬，為解決波浪環(huán)境下航行體水下受力與運(yùn)動(dòng)問(wèn)題提供了更為可靠的計(jì)算手段。數(shù)值造波是采用數(shù)值仿真手段研究海浪環(huán)境對(duì)水下航行體運(yùn)動(dòng)特性影響的基礎(chǔ)。通過(guò)數(shù)值造波，可在求解域內(nèi)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需要的各種形式的波浪場(chǎng)，例如線性波、二階Stokes波以及非規(guī)則波等。常用的數(shù)值造波方法包括搖板造波法、源項(xiàng)造波法、邊界造波法等。

搖板造波法屬于仿物理造波法，即在數(shù)值水池中模仿真實(shí)試驗(yàn)水池中的造波機(jī)，將其設(shè)置為擾動(dòng)源。He等在二維數(shù)值水槽中應(yīng)用數(shù)值搖板造波機(jī)模擬了強(qiáng)非線性波浪[10]，F(xiàn)innegan等將造波機(jī)理論應(yīng)用于波浪-結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)值計(jì)算中，取得了較為滿意的結(jié)果[11]。

搖板造波法原理簡(jiǎn)單，可通過(guò)試驗(yàn)手段進(jìn)行檢驗(yàn)，但其涉及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)以及結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的混合過(guò)程，造波過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高。

源項(xiàng)造波法和邊界造波法同屬純數(shù)值造波法。Brorsen等基于邊界積分方程勢(shì)流方法（BIEM）實(shí)現(xiàn)了源項(xiàng)造波，生成了二維非線性波浪[12]；Lee等提出的適用于不同形式的Boussinesq方程的源項(xiàng)造波法，分析了波浪傳播的變形問(wèn)題[13]。源項(xiàng)造波法適應(yīng)性強(qiáng)，但由于其造波方式較為理想化，無(wú)法在現(xiàn)實(shí)中予以實(shí)現(xiàn)。邊界條件法是根據(jù)波浪的解析理論，在固定邊界上給定數(shù)值入射速度，齊鵬等采用這種方法通過(guò)求解N-S方程建立三維下數(shù)值波浪水槽[14]。邊界造波法受控波面的邊界條件可用單一的方程給出，可較容易地控制所造波浪的頻率、振幅，在三維模式中應(yīng)用較為有效。

典型狀態(tài)下邊界造波法邊界條件設(shè)置如圖2所示。

圖2 邊界造波法邊界條件設(shè)置

圖2中，空氣域高度a=0.25，為對(duì)應(yīng)浪級(jí)下波長(zhǎng)；水深w=0.75；為水槽長(zhǎng)度，=4；1為消波區(qū)起始位置，1=3.0；2為消波區(qū)結(jié)束位置，2=3.5；水槽入口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，上下均為滑移壁面邊界條件。源項(xiàng)造波法邊界條件設(shè)置與邊界造波法相似，不同之處在于源項(xiàng)造波法入口邊界處需要單獨(dú)定義一個(gè)造波區(qū)域。

在二維條件下對(duì)邊界造波法、源項(xiàng)造波法與Stokes理論波形進(jìn)行比較，其中數(shù)值造波法氣、水界面通過(guò)VOF模型進(jìn)行模擬，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)模型，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。數(shù)值造波方法與理論計(jì)算結(jié)果比較如圖3所示。

圖3　數(shù)值造波方法與理論計(jì)算結(jié)果比較

由圖3可以看出，數(shù)值造波波形與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，Stokes波理論解是在液體無(wú)粘、無(wú)旋假設(shè)前提下通過(guò)攝動(dòng)法得到的，而波浪數(shù)值仿真中則考慮了液體的粘性作用，通過(guò)N-S方程求解得到，因此數(shù)值造波（邊界造波法、源項(xiàng)造波法）波高較理論波高有一定的偏差。

在數(shù)值造波基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步開展波浪對(duì)水下航行體出水過(guò)程的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)特性、運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值仿真研究工作。某航行體在波浪中運(yùn)動(dòng)示意如圖4所示。

圖4　航行體在波浪中運(yùn)動(dòng)計(jì)算域

由圖4可知，該船行體設(shè)有工作區(qū)（造波區(qū)）和消波區(qū)，在一定運(yùn)動(dòng)速度發(fā)射平臺(tái)上運(yùn)動(dòng)。

2.2 海浪對(duì)航行體水動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)特性影響

在航行體出水運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，海浪對(duì)航行體水動(dòng)力系數(shù)（包括定常力、慣性力等）均產(chǎn)生明顯的影響，且隨著航行體各截面依次出水，航行體所受流體動(dòng)力急劇變化，導(dǎo)致出水彈道變化特征較為復(fù)雜。

在理論計(jì)算方面，可快速獲得海浪浪高、浪向、出水相位對(duì)流體動(dòng)力及彈道的影響規(guī)律，從而為水下彈道的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。楊繼鋒等[15]將航行體離散化為多個(gè)表面單元，根據(jù)線性波理論和Morison公式計(jì)算各單元所受的波浪力，從而開展不同浪級(jí)和浪向下航行體出水姿態(tài)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明波浪對(duì)航行體的影響主要包括波浪力和波浪水質(zhì)點(diǎn)引起的流體俯仰力矩兩個(gè)方面，高艇速下運(yùn)動(dòng)時(shí)需盡可能在低海情下發(fā)射；谷良賢等[16]采用波浪受力的切片理論，分別計(jì)算在線性波理論下和隨機(jī)海浪P-M頻譜下海浪對(duì)水平發(fā)射運(yùn)載器出水彈道和出水姿態(tài)的影響，計(jì)算結(jié)果表明隨機(jī)海浪干擾下出水姿態(tài)角服從高斯分布，線性波海浪干擾彈道設(shè)計(jì)較隨機(jī)干擾的彈道設(shè)計(jì)相對(duì)保守；王亞?wèn)|等[17]采用隨機(jī)海浪P-M頻譜和切片理論獲得航行體所受波浪力，并采用蒙特卡洛方法分析隨機(jī)海浪下航行體彈道偏差量統(tǒng)計(jì)值，表明海況越高，偏差量越大；王瑞臣等[18]利用LS-Dyna有限元軟件對(duì)航行體進(jìn)行離散化，研究了線性波海浪對(duì)導(dǎo)彈水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響，計(jì)算結(jié)果表明淺水發(fā)射下波浪影響比深水發(fā)射更為明顯。

在數(shù)值CFD計(jì)算方面，可通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算獲取波浪影響下流場(chǎng)變化規(guī)律和航行體運(yùn)動(dòng)特性，其中氣、水界面選用VOF模型、湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)模型，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、UDF技術(shù)可在CFD軟件中實(shí)現(xiàn)航行體在波浪環(huán)境下運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬。提取某典型工況下波谷、波峰出水時(shí)航行體周圍流場(chǎng)流線圖，如圖5所示。

圖5　航行體波谷、波峰出水時(shí)的流線

從圖5可以看出，在波谷出水時(shí)，波浪水質(zhì)點(diǎn)呈現(xiàn)回旋運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，在水下流線向左側(cè)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)航行體受到的波浪力沿左側(cè)方向，且由流線密集程度可以看出航行體頭部流速較大，所受流體力也相對(duì)較大；波峰出水時(shí)航行體受力方向正好與波谷出水相反。

權(quán)曉波等[19]為了研究水下航行體出水過(guò)程中海浪的影響，首先通過(guò)源項(xiàng)造波法模擬出精度較高的二階Stokes非定常數(shù)值海浪，之后考慮5級(jí)海浪干擾條件，分析鈍頭圓柱體航行體水下垂直發(fā)射時(shí)波浪對(duì)三維流場(chǎng)、彈道及受力特性的影響，并與無(wú)波浪條件下的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，獲得波浪對(duì)航行體運(yùn)動(dòng)速度變化的影響規(guī)律。針對(duì)更為復(fù)雜的帶空泡航行體波浪影響問(wèn)題，程聞等[20]采用源項(xiàng)造波法建立了二維數(shù)值水槽，采用動(dòng)網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)波浪環(huán)境下水翼運(yùn)動(dòng)時(shí)空泡非穩(wěn)態(tài)特性的模擬，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)水翼處于逆浪波谷狀態(tài)時(shí)，波浪速度場(chǎng)方向與水翼空泡末端回射流方向相同，使得空泡斷裂和脫落時(shí)間提前，且空泡脫落頻率隨波高增加而增加。朱坤等[21]通過(guò)數(shù)值CFD手段對(duì)不同波浪相位出水條件下帶空泡航行體流場(chǎng)特性開展研究，獲得了近水面波浪與潛射導(dǎo)彈空泡耦合流動(dòng)機(jī)理，結(jié)果表明出水波浪相位的差異導(dǎo)致近水面流體質(zhì)點(diǎn)剪切運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱與方向是導(dǎo)致航行體肩空泡空間不對(duì)稱的重要因素。

數(shù)值CFD計(jì)算方法通過(guò)對(duì)整個(gè)計(jì)算域內(nèi)壓力的分布特性開展計(jì)算，計(jì)算結(jié)果相對(duì)精細(xì)，且可實(shí)現(xiàn)對(duì)空泡流等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的準(zhǔn)確模擬，是未來(lái)開展波浪對(duì)航行體出水過(guò)程研究的重要技術(shù)手段。

2.3 海浪環(huán)境下彈體運(yùn)動(dòng)特性的控制技術(shù)

航行體出水過(guò)程是在較短的時(shí)間內(nèi)穿越自由界面過(guò)程，在自由界面附近波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度較為劇烈，使得航行體表面各位置承受大小不等的波浪力作用，且由于受出水相位的影響，波浪力呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性。波浪浪級(jí)越高，波浪力越大，從而給航行體結(jié)構(gòu)載荷和彈道造成較大的影響，在高海情下垂直運(yùn)動(dòng)的航行體一般采用水下有控的技術(shù)方式。

由于航行體多為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，縱向運(yùn)動(dòng)是其主要運(yùn)動(dòng)平面。在流體動(dòng)力、重力、浮力、控制力作用下，航行體的速度和姿態(tài)不斷發(fā)生變化。水下有控彈道在縱向平面的方程：

由水下航行體垂直發(fā)射特點(diǎn)可知：

a）航行體在水中航行體時(shí)由于尾空泡的周期性振蕩導(dǎo)致難以準(zhǔn)確建模；

b）在出水段隨著航行體各截面出水急劇變化；

c）水下運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，對(duì)快速性要求較高；

d）控制力受限。

水下產(chǎn)生控制力的方式主要有推力矢量控制、柵格翼控制等。推力矢量控制方式主要是通過(guò)改變航行體發(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴流方向的方式控制導(dǎo)彈水下運(yùn)動(dòng)，可分為擺動(dòng)噴管、擾流片、燃?xì)舛?、?cè)噴等具體實(shí)現(xiàn)方式。美國(guó)潛射戰(zhàn)斧、法國(guó)飛魚等導(dǎo)彈均采用水下推力矢量控制方式，其特點(diǎn)是依靠彈上發(fā)動(dòng)機(jī)提供控制力來(lái)克服流體干擾力，在流體干擾力較大時(shí)對(duì)推力矢量特性設(shè)計(jì)要求較高。柵格翼控制方式是通過(guò)在航行體尾部安裝柵格翼結(jié)構(gòu)，從而使得壓心后移，有利于提高惡劣海浪環(huán)境下彈道的穩(wěn)定性。俄羅斯Club系列潛射導(dǎo)彈采用柵格翼控制方式，其特點(diǎn)是通過(guò)改變水動(dòng)外形實(shí)現(xiàn)對(duì)流體干擾力的抑制作用，但需要增加?xùn)鸥褚頇C(jī)構(gòu)，導(dǎo)致水下阻力增大。

針對(duì)海浪非線性不確定外力，常用的控制方法有PID控制、最優(yōu)控制、模糊變結(jié)構(gòu)控制等。崔乃剛等[22]針對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境下潛射導(dǎo)彈出水問(wèn)題，獲得不同海浪參數(shù)影響下無(wú)控、PID控制以及模糊PID分段控制3種方法在不同海況下的仿真結(jié)果，丁彥超等[23]在“小擾動(dòng)”假設(shè)條件下采用最優(yōu)控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直發(fā)射潛射導(dǎo)彈的推力矢量控制，仿真結(jié)果表明該控制方法可有效地抑制波浪對(duì)彈道的擾動(dòng)影響。從各種控制方法上來(lái)看，彈體出水過(guò)程中流體動(dòng)力變化劇烈且波浪干擾力具有較大的隨機(jī)性，模糊變結(jié)構(gòu)控制方法主要依賴當(dāng)前彈道狀態(tài)參數(shù)，對(duì)于復(fù)雜海浪下出水問(wèn)題具有較好的適應(yīng)性。

3 后續(xù)研究方向

a）隨機(jī)海浪譜作用下航行體運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真研究。

數(shù)值仿真方法作為海浪研究的重要手段，其計(jì)算可信度相對(duì)較高，但對(duì)計(jì)算資源和工作時(shí)間要求也較高。目前對(duì)數(shù)值仿真中的波浪仍作為理想的規(guī)則波模型，對(duì)隨機(jī)海浪譜特性下航行體數(shù)值仿真計(jì)算尚未涉及?？商剿鞑捎脭?shù)值仿真和代理模型技術(shù)相結(jié)合的方法，建立波浪要素對(duì)航行體流體動(dòng)力特征的理論預(yù)示模型，從而開展隨機(jī)海浪譜下航行體影響數(shù)值仿真計(jì)算。

b）海浪對(duì)航行體出水結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性影響研究。

從勢(shì)流理論上來(lái)看，海浪改變了航行體出水過(guò)程中的勢(shì)函數(shù)，從而對(duì)附加質(zhì)量等水下結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)造成一定的影響；另外，流固耦合現(xiàn)象、水彈性現(xiàn)象在波浪環(huán)境下呈現(xiàn)出新的特征，需要對(duì)其開展深入的研究。

c）真實(shí)海浪作用下航行體運(yùn)動(dòng)特性評(píng)估。

針對(duì)船舶等水面兵器在波浪環(huán)境運(yùn)動(dòng)特性的評(píng)估相對(duì)較為成熟，形成了較為完整的波浪載荷的時(shí)域和頻域、耐波性設(shè)計(jì)等理論、試驗(yàn)手段。而針對(duì)潛射導(dǎo)彈、出水魚雷等波浪影響評(píng)估理論相對(duì)較少，對(duì)波浪環(huán)境的適應(yīng)能力尚需要借鑒船舶領(lǐng)域相關(guān)理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜波浪環(huán)境下航行體實(shí)際作戰(zhàn)效能的有效評(píng)估。

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Review of Wave Influence to the Water Exit for Underwater Vehicle

Zhou Jing-guo1, Quan Xiao-bo2, Cheng Shao-hua2

(1. Naval Equipment Department, Beijing, 100073; 2. Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beijing, 100076)

The marine environment had an important impact on the underwater vehicle during water exit, which was a hot topic in the current hydrodynamics research area. According to analyse the wave influence to the water exit for underwater vehicle. Some research results for the marine environment were introduced. Then calculate methods for underwater vehicle in the wave envorionment were summarized from three aspects, theoretical anaylsis, numerical simulation as well as underwater control. The fureture development and research direction were discussed.

Underwater vehicles; Ocean wave; Cavity

1004-7182(2016)03-0044-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20160311

TJ762.4

A

2016-03-30

周敬國(guó)（1962-），男，高級(jí)工程師，主要從事水下航行體總體設(shè)計(jì)研究