考虑波浪-空气耦合效应的小尺度无人帆船推进机理研究

Marine unmanned sailboats have advantages of long sailing range and no pollution over other molds of USV. And it also has better capabilities on rapidity and maneuverability. There will be great significance of carry out the related research to the long range and longtime marine unmanned operating. And in recent years, the related research is taken seriously by researchers of marine exploration. For the small size unmanned sailboats of 2-3 meters long, since the short distance between the sail and the sea level, the viscosity and compressibility of air and the influence of the coupling between the waves and air will inevitably act on sails. The above features make it difficult to solve the problem of sailing of small scale unmanned sailboat. This project will simulate the gas-liquid coupled flow field through the VOF method and Smagorinsky turbulence model, and then analyze the characteristics of the air flow field in the gas-liquid boundary layer under wave conditions, considering compressibility of air. Then to use discrete vortex method and Green’s function of time domain that singularities move along the arbitrary trajectories on the free surface to study the unsteady loads of the moving hard-sail structure above the waves, considering the unsteady evolution process of wakes and viscosity of air. And finally find out the propulsion mechanism of small scale unmanned sailboat considering wave - air coupling effect.

在各类海洋无人系统中，无人帆船具有航程长、无污染的优点，并具备较好的快速性和操纵性。开展相关研究对长距离、长周期的海上无人作业具有重要意义，近年来在海洋研究领域受到研究者的重视。对于船长2-3m级的小尺度无人帆船，由于其风帆结构与海面间距离小，波浪与空气之间的耦合作用以及空气自身的粘性和可压缩性都会对风帆的风载荷产生影响。这些因素使得小尺度无人帆船的风帆推进问题求解难度大。本项目拟针对上述问题，基于VOF方法和Smagorinsky湍流模型考虑空气的压缩性对气液耦合流场进行模拟，研究波浪条件下气液边界层中空气流场的特性；考虑空气的粘性和尾涡的非定常演化过程，采用离散涡方法结合奇点在自由表面任意轨迹运动的时域格林函数研究近波面运动的硬帆结构所受到的非定常风载荷。最终得出一套考虑波浪-空气耦合效应的小尺度无人帆船硬帆载荷分析方法。

本项目针对小尺度无人帆船的风帆推进载荷开展研究工作。对于船长2-3m级的小尺度无人帆船，由于其风帆结构与海面间距离小，波浪与空气之间的耦合作用以及空气自身的粘性和可压缩性都会对风帆的风载荷产生影响。这些因素使得小尺度无人帆船的风帆推进问题求解难度大。本项目针对上述问题，开展了数值模拟和模型试验研究。首先研究了大变形自由液面两相流数学模型及其数值求解方法，确定了基于VOF方法的数值模型建模思路。并基于此开展了波浪中耦合风场特性及风场中风帆结构风载荷特性的仿真分析。模拟了静水面上空风场以及有波浪的情况下水面上空的风场情况，并比较了不同风浪条件下风场的情况，观察了不同风浪情况下波浪对海面上方风场的影响区域，得出波浪对风场的影响范围；并还原了帆船实际运动过程中所处的环境，模拟了海面上方的风剖面。在风帆载荷分析方面，项目组对垂直梯度表面附近的空气流动特性总结，结合气液边界层条件下的空气流场特征和小型无人驾驶帆船帆结构气动性能研究方法，研究了小型无人驾驶帆船帆结构在风荷载和空气流场梯度之间的关系，并通过对翼帆进行区域的划分来研究帆结构设计要素对垂直梯度气流场的敏感性，提出了优化的风帆结构设计思路，实现了减小其近海面区域波浪对翼帆升力的影响，并使翼帆推进效率更高。基于CFD方法，仿真研究了帆船在波流载荷耦合作用下的运动性能。其二，项目组开展了波流耦合力作用下帆结构风载荷试验研究。项目组设计制作了翼帆结构模型、搭建了试验台，并在青岛海域进行了实际海浪条件下的现场测试。实测了大量波浪和风载荷联合作用下的风场数据和风帆结构表面压力分布数据。获得了实际海况条件下波浪-空气耦合作用对风帆结构风载荷的实际影响，总结了波浪对空气流场的影响规律。