气垫船动力学ACVSIM模型的初步验证（一）

W. Milewski, B. Connell, B. PetersenD. Kring

气垫船动力学ACVSIM模型的初步验证（一）

W. Milewski, B. Connell, B. Petersen1D. Kring2

（1Applied Physical Sciences Corporation，2Flight Safety Technologies, Inc.）

孙新 编译

人们对改进气垫载具的耐波性动力学预测能力重新产生了兴趣。这导致了第一原理数值模拟模型ACVSIM (Milewski等人，2007)的发展，该模型集成了气垫和裙摆动力学模型与基于高阶样条的流体动力学边界元模型。本文概述了ACVSIM最近的改进，以及使用2007年秋季获得的基线深裙作为模型尺度的LCAC进行初始验证研究的结果。该仿真工具提供了研究设计修改的影响的能力，以及模型载具缩放问题与多耦合物理系统的问题。

1 简介

为了支持正在进行的和未来的设计工作，需要新的计算工具来模拟气垫船的耐波性性能。气垫船（ACV）的许多现有模拟功能是在1960、1970和1980年代最初的LCAC设计成果中开发的。这些仿真模型通常基于小规模实验中得到的系数，这限制了它们在创新船体概念或诸如裙摆和升力风扇等子系统中的效用。随着计算能力、计算流体动力学和计算力学的进步，开发新的，用以定量评估设计修改，补充比例模型试验的模拟工具成为可能。

在20世纪60年代和70年代的研究项目，主要集中在理解全裙摆气垫船的相关物理原理，这最终导致了ACV仿真模型的发展。为了模拟ACV在波浪中的运动，Doctors(1972、1974和1975)采用了基于瞬态波格林函数的线性化水动力模型、气垫可压缩流体模型和供气系统的流动连续性模型。通过在气垫下方的自由表面边界条件上附加一个压力项，船体和气垫动力学与自由表面耦合。该工作证明了将气垫视为可压缩流体的重要性，并说明了可变形自由表面对非定常船体运动的影响。类似的方法也被其他人开发来研究ACV的耐波性能和稳态波阻力。这些工作共同构成了标准的基于物理的气垫载具动态仿真模型的基础(Mantle, 1980)，(Yun和Bliaut, 2005)。

以前基于物理的模拟模型的一个不足是，用这些模型计算的运动没有表现出，与在尺度模型试验中观察到的相同的阻尼。模拟和实验之间的差的相关性可能是由于不完全理解物理阻尼机制原因。在自由表面产生的波是阻尼的来源之一。阻尼的其他来源还包括粘弹性裙板材料的变形(Chung, 2002) (Graham and Sullivan, 2002)以及风扇、裙板和气垫系统的不稳定气流。模拟需要充分耦合空气通过船体和气垫，裙摆的结构变形，水动力辐射和衍射与波的相互作用。

最近开发了一种用于气垫船动力学的时域数值模拟模型，称为ACVSIM（Milewski等，2007），本文的主题是对这种方法的验证。ACVSIM将高阶Rankine面板方法与气垫和裙板动力学模型相结合，以预测ACV的运动。在开发气垫和裙板模型时，我们引用了从气垫分析模型中获得的有关知识（Pollack等，2007）。

在对气垫动力学建模时，ACVSIM使用了ACV的非线性几何形状和海面高程，包括船体产生的波浪的近似值。进行这种高级处理是为了模拟船体在平静水中，以及在远海状态下，存在可能的海浪撞击甲板下的响应。它还允许整合其他机械阻尼和恢复力，例如与在船体俯仰或侧倾时裙部和自由表面之间的相互作用相关的力。

1.1 美军登陆气垫艇 (LCAC)背景

图1为美国海军LCAC的照片。在本文中提出的仿真模型中，主要关注的部件是浮力箱(主船体甲板)、升力风扇和沿载具整个周长运行的裙摆系统。LCAC采用了一种袋形和指形的裙摆，由裙摆顶部的充气膜(袋)和大量向下延伸到自由表面的皮瓣(指)组成。裙板为在正常运行条件下支持载具的高压区域提供密封。

如图2所示为典型的裙摆截面示意图。由附着在船体结构上的外部和内部两部分袋子组成。内袋膜的送气孔允许空气从袋室流向气垫。图2所示的裙部，具备典型的沿着LCAC两侧的内指和外指。这种设计的特点在船体向一侧侧倾时提供了额外的恢复功能，缩小了手指下方的缝隙，增加了局部裙摆的压力。

响应性是裙摆设计的一个关键因素，因为它会影响气垫的空气泄漏，进而驱动升力风扇的功率要求，并影响ACV在波浪中的行驶质量。现代响应式裙摆设计关注于在受到不同表面扰动时承受较大的几何变形；气囊对长水波或地面上升的扰动做出反应，而手指则对较短的水波或地面粗糙做出反应。一个仿真模型必须捕捉裙摆对整个船体的动力学影响，特别是如果该模型将用于评估不同竞品的裙摆设计。

图1 美国海军登陆艇气垫(LCAC)载具

全裙式气垫船的重量由气垫容积内包含的高压空气支撑。空气由一套大容量离心鼓风机提供。一般情况下，空气从风扇流向静压室，通过送气孔进入气囊，最后进入气垫，如图3所示。在某些配置中，空气也直接供给到气垫中，如果存在，横向或纵向隔断将气垫分成多个隔间。在气垫中的平衡压力是一个关于船体重量和它在自由表面的轨迹的函数。对于与LCAC尺寸相同的全尺寸ACV，缓冲压力大约为4～5kpa，大约比标准大气压大5%。袋子内的压力大约比缓冲压力大20～35%，由送气孔的面积决定。通过内袋的压降是ACV的一个重要设计参数，因为它影响到整个系统的性能，例如对升力风扇的功率要求，以及裙摆的膨胀。作为正在进行的ACVSIM仿真模型开发的一部分，我们正在研究通过气垫供气系统的非定常流，特别是在送气孔中的非定常流，对载具动力学的重要性。

图2 典型的包指裙的横截面

图3 由升降机风扇供应的空气进入气垫的典型流动路径。

流量由提升风扇以Qi速率和压力Hf提供，进入一个静压箱，进入袋子，通过进料孔进入手指，然后进入气垫。

1.2 ACVSIM仿真模型概述

ACVSIM计算模型被开发用来模拟在海上运行的ACV的动力学(Milewski等，2007)。图4所示的时域数值模型中有三个主要的物理学科。包括波场的流体动力学、气垫系统的动力学和裙摆系统的结构动力学使用基于样条的时域Rankine面板方法对波浪动力学建模，该方法基于现有的称为AEGIR的耐波性代码（Kring等，2004）。垫压力被添加到自由表面边界条件，以解决辐射和衍射波型。这些波改变了通过垫子的体积和气流，并且可能使裙部偏转。ACVSIM具有一系列可以应用的线性到完全非线性的自由表面条件。当前的工作主要是应用线性辐射和衍射公式。

垫子中的空气表示为可压缩流体。船体动力学和波流通过空气体积耦合，空气体积充当动态弹簧，将载具支撑在自由表面上方。代码中已实现了多种保真度不同的气垫模型，并且正在接受验证。下一节介绍了每个模型的简要说明。图4所示的特定模型基于使用浸没边界法（IBM）的三维波动方程的解（Mittal和Iaccarino，2005）。该方法求解了惯性坐标系中，以平均惯性速度平移的规则固定网格上的场方程，是解决边界移动和变形问题的理想选择。

ACVSIM还包括用于裙边结构动力学的模型。现代裙体系统的顺应性可以极大地改变气垫的封闭体积和船体占地面积，影响系统共振和恢复力矩（Pollack等，2007）。

这三个物理模型都受到ACV几何形状和波场的强烈影响。内部使用非均匀有理Bspline曲面（NURBS）来表示船体，裙边和自由曲面的几何形状，从而可以对气垫体积，ACV轨迹和力积分进行非线性处理。

图4：示意图给出了ACVSIM中的主要物理模型

1.3 NSWCCD拖船测试概述

作为由美国海军研究办公室资助的高级围裙发展计划的一部分，NSWCCD于2007年秋季完成了带有基线深裙的1/12th比例模型的水槽试验。深裙是由Band，Lavis＆Associates（现为CDI Marine）在1990年代设计的，以代替原始的LCAC围裙（Forstell，1997）。深裙设计的主要特征包括：2.13m全尺寸深度；横向密封，将气垫分为前后隔间；双气泡袋和沿气垫的两侧延伸的内指。

采用弗劳德标度法确定了速度、波频和主要物理模型的尺寸。然而，一些流体和结构的性质和尺寸不能一致地缩放，这对ACV模型的动力学有影响。特别是，由于大气压力是恒定的，因此气垫中的总压力不能被一致地缩放，从而影响空腔的谐振频率。裙摆材料的质量和刚度的比例也不一致，导致模型尺寸的裙摆比预期的硬度高出一个数量级。最后，虽然整个送料孔的面积比例正确，但在模型裙部使用的送料孔较少。这可能会影响气垫供气系统中非定常流的阻尼。

测试程序包括倾斜试验以确定俯仰和侧倾刚度。振荡（自由衰减）在水面上进行；平静的水流；定期波浪运行；以及，在海况2-5中传播不规则波浪。记录每次运行时气垫供气系统中的升沉，滚动和俯仰运动，力和力矩，加速度和压力的时间历史。还记录了有浪运行的入射波高程。对于行程的子集，使用新型光波检测系统在垫子内测量自由表面的高度。

2 简化的ACV动力学模型

自由表面，供气系统和裙板之间的相互作用及其对ACV动力学的影响非常复杂。在考虑对ACV进行全面模拟之前，我们首先使用等效的质量-弹簧-阻尼集总参数模型来检查ACV的升沉响应。降阶模型对于解释来自仿真和模型测试的数据特别有用。

首先，考虑将ACV悬停在刚性边界上。可以通过使用载具质量和弹簧常数的单自由度（DOF）系统对升沉运动进行建模，该弹簧常数是通过将垫子中的空气视为绝热的可压缩流体来估算的。该系统的固有频率是气垫的最低阶腔模式。接下来，考虑在自由表面上运行的ACV。升沉响应可以建模为两个自由度系统。其中一种模式与气垫相关。第二个与升沉运动有关的波浪产生。图5显示了自由表面上ACV的两个DOF模型的示意图。这是Milewski等人提出的模型的扩展。（2007）。以前，该系统被近似为单自由度来评估ACV的升沉的造波固有频率。船体和附加质量合并为一个质量，并且弹簧常数基于气垫占地面积的线性静液压恢复。在当前的预测中，船体质量MV基于LCAC的设计重量，附加质量Ma基于浅吃水矩形驳船的无限频率附加质量。气垫的弹簧常数为：

气垫的绝对压力

h0是气垫的高度，g是重力常数，γ是比热的比率，Afp是气垫在表面上的覆盖面积。

除非气垫弹簧常数不变，否则大气压力Patm的存在会使模型难以始终如一地按比例缩放气垫动力学，除非在可以降低环境压力的特殊设施中进行测试。

图5 自由表面上起伏ACV的两个自由度集总参数模型的示意图。

Afp是从LCAC的高保真CAD模型估算出来的，该模型用于我们的数值模拟中。自由表面的弹簧常数由下式给出：

两个自由度集总参数模型的耦合二阶方程组（Den Hartog，1985）为：

字母上的点代表相对于时间的差异。

（未完待续）