滑行艇簡(jiǎn)化模型流場(chǎng)數(shù)值模擬及改型研究*

陳克強(qiáng) 秦江濤

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

滑行艇是由艇底水動(dòng)壓力的垂向分量平衡絕大部分艇重來(lái)減小浸濕面積和總阻力,適于高速航行的一種艇型.該型艇廣泛用于緝私、港監(jiān)、水上公安、交通、軍事等領(lǐng)域,其應(yīng)用領(lǐng)域和工作性質(zhì)使得追求高航速成為用戶(hù)和設(shè)計(jì)人員十分重視的問(wèn)題.通過(guò)設(shè)計(jì)合理的滑行面形狀,可有效提高滑行艇的滑行效率,減小滑行阻力.本文針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究.

1 滑行艇的簡(jiǎn)化模型及滑行面形狀對(duì)阻力的影響

平底滑行艇為最簡(jiǎn)單的滑行艇艇型,其受力情況與滑行平板有相似之處.為此研究滑行艇的水動(dòng)力問(wèn)題,可以通過(guò)研究平板水動(dòng)力問(wèn)題來(lái)入手[1].對(duì)于以攻角α運(yùn)動(dòng)時(shí)的滑行平板,其阻力表達(dá)為

式中:Rt為總阻力;Δ為艇重,Rf為摩擦阻力.

當(dāng)α為小角度時(shí),cos α≈1,阻力近似為:Rt=Δ tan α+Rf.

即滑行艇的阻力可分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Δ tan α 2 部分.剩余阻力 Δ tan α部分將隨著攻角增大而增大,而攻角增大后會(huì)使浸濕面積減小,對(duì)減小摩擦阻力有利,因此存在一個(gè)對(duì)應(yīng)于最小阻力的最佳航態(tài)角.通過(guò)調(diào)整航態(tài),使滑行攻角等于或接近最佳航態(tài)角,可使阻力性能得到明顯的改善[2].

如果滑行艇起滑后航態(tài)角過(guò)大,則會(huì)導(dǎo)致噴濺阻力較大.此時(shí)可在尾端加一下反角度的楔形板減小阻力,這已在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中得到了驗(yàn)證.圖1為一固定平板尾部加楔型板前后的壓力分布對(duì)比示意圖:加裝楔形板后的平板壓力分布(圖1 a))與未加裝楔形板(圖1 b))相比,尾部壓力增大,整個(gè)板面的壓力中心后移.滑行艇加裝楔型板后為滿(mǎn)足重力平衡條件必然會(huì)減小航態(tài)角,從而減小過(guò)大的剩余阻力.航態(tài)角偏小也不是理想的情況,此時(shí)濕表面積過(guò)大,影響快速性,甚至導(dǎo)致不能順利起滑[3].

實(shí)踐中,一般采用調(diào)整重心縱向位置的方法來(lái)調(diào)整航態(tài).但是滑行艇重心縱向位置往往會(huì)受船舶布置的限制而使航態(tài)無(wú)法達(dá)到理想的狀態(tài),此時(shí)可采用調(diào)整滑行面的方法解決這一問(wèn)題.本文利用FLUENT軟件對(duì)滑行艇簡(jiǎn)化模型的水動(dòng)力特征進(jìn)行數(shù)值模擬,從而指導(dǎo)對(duì)滑行艇滑行面的改型.

圖1 楔形板對(duì)二元滑行面壓力分布影響示意圖

2 簡(jiǎn)化模型的數(shù)值模擬

通過(guò)FLUENT軟件進(jìn)行滑行艇簡(jiǎn)化模型兩相流的數(shù)值模擬.計(jì)算模型取一攻角為3°的三元板,Fr=1.12.計(jì)算域及部分邊條設(shè)置如圖2所示(圖中,L0=4 m):

圖2 計(jì)算域及部分邊條設(shè)置示意圖

入口邊界分別為水和空氣速度入口 u=u∞,v=w=0.

壁面邊條 u=v=w=0及k=0.

式中:u,v,w為速度U在笛卡爾坐標(biāo)系中的分量;φ為除壓強(qiáng)外的其他流動(dòng)變量;k為湍動(dòng)能;ε為比耗散率.

兩相流的數(shù)值模擬基于VOF方法,設(shè)置楔形板前水、空氣交面處參考?jí)簭?qiáng)為大氣壓,采用隱式格式求解RANS方程,對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分[4].

計(jì)算得到該三元板的水動(dòng)壓力等值線(xiàn)分布如圖3所示.

圖3 三元板水動(dòng)壓力等值線(xiàn)圖/Pa

三元板邊緣處由于直通大氣,該部分區(qū)域特別是尾部區(qū)域壓力最低,能夠提供的升力 L=Pcos α(P 為板面壓力;α為攻角)很小,但是通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)這部分低升力區(qū)域的摩擦阻力與高升力區(qū)域摩擦阻力差別不大.

3 滑行艇改型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

即針對(duì)滑行艇航態(tài)角偏小的情況,上述改變滑行面形狀的方法降低阻力有2個(gè)原因:(1)使艇底壓力重新分布,壓力分布更為合理,利于減小阻升比;(2)調(diào)整航態(tài)角,減小浸濕面積從而減小粘性阻力.

3.1 改型方法及阻力實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述計(jì)算及改進(jìn)方案,針對(duì)某型艇作了改型.并在605所高速水池進(jìn)行了改型前、后的阻力實(shí)驗(yàn).

滑行艇模型長(zhǎng)11 m,艇寬3.2 m,船舯底升角26°.改型將滑行艇的尾端中部挖了一個(gè)隧道,隧道沿船長(zhǎng)3個(gè)站(全船20站):見(jiàn)圖4,并去掉了艇底尾部邊緣部分矩形區(qū)域,寬約5 cm,沿船長(zhǎng)2.5個(gè)站踞,去掉的面積約占起滑后濕面積的5%.

圖4 改型后模型的滑行面尾部

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在起滑后的高速段,總阻力降低約7%.阻力曲線(xiàn)如圖5所示.

圖5 Rt-Fr曲線(xiàn)圖

并非所有的滑行艇經(jīng)過(guò)這樣改型都可降低阻力,這與滑行艇是否以最佳航態(tài)角航行有很大關(guān)系.該艇在改型前滑行時(shí)航態(tài)角很小,與靜浮航態(tài)角十分接近,才考慮了通過(guò)該方法進(jìn)行改型,改型后航態(tài)角略為增大.如果滑行艇航態(tài)角偏大,上述方法改型可能對(duì)降低阻力反而不利,而且改型減小了滑行面積和水線(xiàn)長(zhǎng)度將使海豚運(yùn)動(dòng)的幾率增加.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

通過(guò)通用軟件進(jìn)行船舶流體力學(xué)的研究是一個(gè)較為有效的方法,與實(shí)驗(yàn)相比,可以獲得更為豐富的流動(dòng)細(xì)節(jié);另外,滑行艇的滑行面對(duì)其航態(tài)與阻力的影響較大,通過(guò)合理的布置滑行面,可有效的提高滑行艇的滑行效率并減小其滑行阻力.

[1]董祖順.快艇動(dòng)力學(xué)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1991.

[2]趙連恩,韓端峰.高性能船舶水動(dòng)力原理與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2001.

[3]郭值學(xué).高性能船的發(fā)展與前景之管見(jiàn)(一)[J].中國(guó)造船,2001,42(4):73-82.

[4]Gao Qiuxin.Numerical simulation of free surface flow around ship hull[J].Journal of Ship Mechanics,2002,6(3):1-13.