履帶式兩棲車(chē)輛繞流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

履帶式兩棲車(chē)輛航行時(shí)的水動(dòng)力特性與輪式兩棲車(chē)輛有一定差異，開(kāi)展履帶式兩棲車(chē)輛的繞流場(chǎng)及水動(dòng)力特性研究，將對(duì)提高履帶式兩棲車(chē)輛的水上性能有很大意義[1]。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)體的外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為今后研制具有更好水上性能，能夠適應(yīng)更加復(fù)雜海況的新型兩棲車(chē)輛，提供一定的理論依據(jù)。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)性能的提升和數(shù)值模擬方法的不斷改進(jìn)，使得計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的應(yīng)用范圍不斷拓展。借鑒船舶的流場(chǎng)數(shù)值模擬方法，利用CFD軟件，對(duì)兩棲車(chē)輛的繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，是更為經(jīng)濟(jì)、快捷、高效的方法[2]。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 湍流模型的控制方程

連續(xù)方程[3]：

△·u=0

動(dòng)量方程：

1.2 邊界條件設(shè)置

計(jì)算區(qū)域的邊界條件包括：壁面、速度進(jìn)口、出口邊界、對(duì)稱面、交界面。具體設(shè)置情況如下：

（1）壁面：將裝備車(chē)體表面和遠(yuǎn)場(chǎng)壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件。

（2）速度進(jìn)口：按照車(chē)輛航速確定，湍動(dòng)能和湍流耗散率參照經(jīng)驗(yàn)公式給出。

（3）出口邊界：裝備航行過(guò)后，其后部的流動(dòng)可認(rèn)為是完全發(fā)展的，適用出口邊界條件。

（4）對(duì)稱面：將車(chē)體的中心面定義為對(duì)稱面邊界條件。

（5）交界面：由于近車(chē)體流場(chǎng)與外部流場(chǎng)所劃分的網(wǎng)格類型不同，要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格間的相互關(guān)聯(lián)，就要將兩種網(wǎng)格的重合面定義為為交界面邊界條件。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

兩棲車(chē)輛車(chē)體表面線型復(fù)雜，主要研究其水中航行時(shí)的流場(chǎng)特性，因此計(jì)算模型需要有所簡(jiǎn)化，模型的基本尺寸來(lái)源于實(shí)裝，如圖1所示。

圖1簡(jiǎn)化的車(chē)體幾何模型示意圖

車(chē)體總長(zhǎng)7.67 m，寬3.1 m。車(chē)體模型的長(zhǎng)寬比L/B＝2.48，影響其快速性和航向穩(wěn)定性；車(chē)寬吃水比B/T=1.94，影響其抗橫搖穩(wěn)性；車(chē)高吃水比H/T=1.3，一定程度影響其抗沉性和裝載能力。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的策略，需要根據(jù)工程問(wèn)題的具體情況來(lái)制定。不同的網(wǎng)格劃分策略，對(duì)生成的網(wǎng)格質(zhì)量影響很大。而網(wǎng)格質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到數(shù)值計(jì)算的精確性、收斂性和時(shí)效性。因此，應(yīng)根據(jù)兩棲車(chē)輛的繞流場(chǎng)具體情況，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域劃分

在近車(chē)體流場(chǎng)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在車(chē)體近壁范圍內(nèi)使用邊界層過(guò)渡網(wǎng)格，外圍流場(chǎng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)車(chē)體和自由液面附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。如圖3所示。

圖3 車(chē)體表面網(wǎng)格

2.3 離散格式

本文控制方程的擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散，對(duì)流項(xiàng)采用如下格式離散：梯度設(shè)置為最小二乘法，對(duì)于壓力方程采用體積力加權(quán)格式，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程均采用二階迎風(fēng)格式。對(duì)于瞬態(tài)問(wèn)題，壓力隱式算子分割算法（PISO）有明顯的優(yōu)勢(shì)，故壓力速度耦合方式采用PISO算法。取時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，需要求解的時(shí)間步數(shù)設(shè)定為2 000步，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的最大迭代次數(shù)設(shè)為20。為了保證湍流計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性，欠松弛因子分別取為0.6、0.4、0.8、0.4、0.6、0.6、0.8.

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 數(shù)值方法驗(yàn)證

應(yīng)用FLUENT軟件，對(duì)兩棲車(chē)輛的車(chē)體繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到兩種湍流模型下的阻力計(jì)算值，如表1所示。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)繪制出阻力隨速度變化曲線，并對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線，如圖4所示。數(shù)值模擬結(jié)果總體上與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，略小于試驗(yàn)值?？梢钥闯鰞煞N模型所計(jì)算出的阻力曲線的變化趨勢(shì)，與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)相一致。兩種湍流模型都能比較好地計(jì)算車(chē)體的航行阻力，相比之下，RNG模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值更接近，誤差更小。所以RNG湍流模型，更適合兩棲車(chē)輛的阻力計(jì)算。誤差主要是由于在數(shù)值模擬中，模型的精度不高而產(chǎn)生的。

表1兩種模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

圖4總阻力的模擬值與試驗(yàn)值

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到了兩棲車(chē)輛水中航行時(shí)的流場(chǎng)特性參數(shù)。可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)水動(dòng)力特性分析。圖5為車(chē)體在航速v=3m/s的情況下履帶前部和后部的速度矢量圖。由于車(chē)體形狀在此處的急劇變化，導(dǎo)致此處的流體運(yùn)動(dòng)發(fā)生了分離，并且產(chǎn)生了尺度較大的渦，降低了通過(guò)該處的水流速度，使得該區(qū)域壓力降低，如圖6動(dòng)壓分布所示。在車(chē)體周?chē)纬蓧毫Σ?，產(chǎn)生較大的壓差阻力。

圖5 履帶輪附近的速度矢量圖

圖6 動(dòng)壓分布云圖

圖7反映了車(chē)輛在4m/s航速下的興波云圖。從云圖中可以看出，車(chē)體首部有一較大的波峰，在車(chē)體履帶前端兩側(cè)形成波谷；車(chē)體后部由于履帶的影響，向兩側(cè)擴(kuò)散形成較小波峰，車(chē)體正后方處于波谷。其總體自由液面的波形刻畫(huà)與車(chē)體表面動(dòng)壓分布相符，也接近車(chē)體航行的實(shí)際情況。從上可證明興波阻力的大小與車(chē)體形狀密切相關(guān)，對(duì)車(chē)體外形局部進(jìn)行合理優(yōu)化，可以提高其水上動(dòng)力性能，達(dá)到減阻增速的目的。

圖7 航速4m/s的興波云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

利用CFD計(jì)算流體力學(xué)的方法，對(duì)兩棲車(chē)輛的繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得其水上航行時(shí)主要的流場(chǎng)特性參數(shù)。模擬計(jì)算中考慮了自由液面的影響，通過(guò)VOF方法對(duì)興波自由液面進(jìn)行了追蹤。采用兩種湍流模型分別對(duì)裝備車(chē)體繞流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬計(jì)算出的阻力值與試驗(yàn)值基本吻合，比較總阻力的計(jì)算值與試驗(yàn)值，確定了RNG模型是更為適合兩棲車(chē)輛繞流場(chǎng)數(shù)值模擬的湍流模型。同時(shí)，分析了車(chē)體外形對(duì)阻力的影響，找到影響其航行阻力的關(guān)鍵因素，為今后更高性能的兩棲車(chē)輛的研制提供了參考。

[1]洪 津，高 博，王 璞，等.兩棲工程作業(yè)車(chē)的發(fā)展研究[J].化學(xué)工程與裝備，2010，(8)：159-160.

[2]高富東，姜樂(lè)華，潘存云．基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的兩棲車(chē)輛水動(dòng)力特性數(shù)值計(jì)算[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，(5)：134-139．

[3]楊楚泉．水陸兩棲車(chē)輛原理與設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

[4]居乃鵕．兩棲車(chē)輛水動(dòng)力學(xué)分析與仿真[M]．北京：兵器工業(yè)出版社，2005.

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[6]韓占忠，王國(guó)玉，閆為革.兩棲車(chē)輛航行粘性阻力數(shù)值分析[J].車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2003，(2)：6-10.