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    新型高速艇的CFD模擬和對比分析

    2016-09-02 03:08:08魏子凡井升平楊松林
    中國艦船研究 2016年4期
    關(guān)鍵詞:艇體水翼攻角

    魏子凡,井升平,楊松林

    江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212003

    新型高速艇的CFD模擬和對比分析

    魏子凡,井升平,楊松林

    江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212003

    高速艇具有體積小、航速高、智能等優(yōu)點(diǎn),可以完成搜救、探測、導(dǎo)航和作戰(zhàn)等多種任務(wù),廣泛應(yīng)用于軍民用領(lǐng)域。研究高速艇的阻力性能對艇體的型線設(shè)計(jì)和艇體的流體動力學(xué)性能分析都顯得十分重要。設(shè)計(jì)一種新型高速艇,通過NUMECA系列軟件對不同的高速艇進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,以研究此類新型高速艇的水動力性能。研究表明:加裝水翼或防飛濺條均可增加艇體的升力,使艇體更快地處于滑行狀態(tài),安裝了防飛濺條的翼滑艇的阻力性能良好。

    高速艇;CFD模擬;阻力性能;防飛濺條;水翼

    網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160729.0945.008.html期刊網(wǎng)址:www.ship-research.com

    引用格式:魏子凡,井升平,楊松林.新型高速艇的CFD模擬和對比分析[J].中國艦船研究,2016,11(4):22-28.

    WEI Zifan,JING Shengping,YANG Songlin.CFD simulation and comparison analysis of a new type high-speed boat [J].Chinese Journal of Ship Research,2016,11(4):22-28.

    0 引 言

    高速艇由于航速高的特點(diǎn),以及艇上可以安裝雷達(dá)、聲吶、攝像機(jī)等武器設(shè)備,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍民用領(lǐng)域。另外,隨著作戰(zhàn)方式的變革以及電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展,未來戰(zhàn)場將主要使用無人作戰(zhàn)系統(tǒng),因此各國越來越重視對水面高速無人艇的研究,高速艇將是海洋作戰(zhàn)的重要途徑和探索海洋的重要工具[1-4]。

    數(shù)值模擬作為一種新興和有效的工具,可以有效地提高具有復(fù)雜系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)效率[5]。研究船舶的水動力性能時(shí),經(jīng)常使用模型試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式估算和數(shù)值計(jì)算方法,但經(jīng)驗(yàn)公式估算存在精度和適用性問題,模型試驗(yàn)存在成本和試驗(yàn)環(huán)境等問題,而數(shù)值計(jì)算方法可以科學(xué)、真實(shí)地模擬計(jì)算船舶運(yùn)動的情況,避免了試驗(yàn)的局限性。因此,隨著數(shù)值計(jì)算方法的不斷成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)值模擬將成為船舶水動力性能分析的重要手段,并得到廣泛應(yīng)用。本文將使用NUMECA系列軟件對不同工況的4種高速艇進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究新型高速艇的水動力性能,并進(jìn)行阻力分析。

    1 幾何建模

    本文主要介紹一種新型無人翼滑艇的設(shè)計(jì)過程,對有8種不同規(guī)格防飛濺條的滑行艇以及4種艇型進(jìn)行幾何建模,包括:滑行艇、有防飛濺條滑行艇、翼滑艇和有防飛濺條翼滑艇。設(shè)計(jì)的新型高速艇是指有防飛濺條的新型無人翼滑艇,相比一般的高速艇,翼滑艇的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。表1所示為船模主尺度。表2所示為在船?;A(chǔ)上放大4倍所得的實(shí)艇參數(shù)。CFD阻力計(jì)算的海水密度為1 026.021 kg/m3。

    表1 船模主尺度Tab.1 Model specifications

    1.1防飛濺條設(shè)計(jì)

    為改善滑行艇的性能,通常采用一些特殊艇型,例如斷級艇和槽道滑行艇等。無論是軍用還是民用,對滑行艇的適航性要求越來越高,這些特殊形狀的艇型往往難以滿足要求。

    1)舭防飛濺條。防飛濺條在高性能艇的兩側(cè)安裝,一般呈帶狀或條狀,起到抑制水花噴濺,增加滑行面寬度的作用,也可以適當(dāng)降低艇體受到的興波阻力,增強(qiáng)艇體的穩(wěn)性。研究表明:在折角型艇的折角線位置安裝適當(dāng)?shù)姆里w濺條,無論對控制飛濺性能或增大艇體底面的升力效應(yīng)都有一定影響[6]。根據(jù)科爾貝的試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)向下傾斜的舭防飛濺條具有較小的15°傾角時(shí),其抑制噴濺的能力反而比有較陡的45°傾角時(shí)要好[7]。因此,本文設(shè)計(jì)的防飛濺條采用15°傾角,如圖1所示。

    圖1 防飛濺條剖面圖Fig.1 Cross-section profile of splash-proof strip

    2)設(shè)置防飛濺條。在1.5 m船?;A(chǔ)上,為滑行艇折角線處安裝的防飛濺條設(shè)置了8組不同規(guī)格,如表3所示。以表中型號22-46為例,0號站防飛濺條寬(前寬)22 mm,5號站防飛濺條寬(后寬)46 mm,0~5站防飛濺條寬呈等差數(shù)列。圖2為型號22-46的防飛濺條三維視圖。

    表3 8種防飛濺條尺寸Tab.3 Size of eight kinds of splash-proof strip

    圖2 防飛濺條三維模型Fig.2 Three-dimensional view of splash-proof strip

    1.2新型高速艇設(shè)計(jì)

    在1.5 m船?;A(chǔ)上,于艇艏部安裝了一個水翼,水翼剖面形狀為平凸弓型,平面形狀為矩形翼。為了保證艇的運(yùn)動穩(wěn)定,確保良好的推進(jìn)性能和構(gòu)造簡單,選用全浸式水翼。共選取64種不同幾何尺寸的水翼,水翼剖面相對厚度一般在0.04~0.09之間,選取0.07。水翼支柱選取剖面形狀為NACA 0012的翼型剖面。弦長為水翼弦長的4/5。水翼展長與艇寬比值選取0.5,0.55,0.6,0.65。水翼展弦比選取5,6,7,8。水翼攻角選取0.5°,1°,1.5°,2°。

    圖3所示為滑行艇和翼滑艇的三維模型。翼滑艇艏部安裝的水翼展長與艇寬比為0.5,展弦比為7,攻角為0.5°,水翼位置距艇艏0.2倍艇長,水翼相對浸深為2。為進(jìn)一步改善滑行性能,在翼滑艇的兩側(cè)安裝了防飛濺條,如圖4所示。

    圖4 安裝防飛濺條的新型翼滑艇三維模型Fig.4 Three-dimensional view of the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip

    2 數(shù)值模擬

    數(shù)值模擬是指依靠電子計(jì)算機(jī),結(jié)合有限元或有限容積的概念,通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法來研究工程等各類問題。進(jìn)行數(shù)值模擬的第一步要建立能反映問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型[8]。現(xiàn)代數(shù)值模擬計(jì)算通過參數(shù)的精確設(shè)置已經(jīng)可以接近真正的試驗(yàn),隨著計(jì)算方法的進(jìn)步,數(shù)值模擬的水平會越來越高,效果也會越來越逼真[9]。

    CFD作為一種結(jié)合了近代流體力學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的計(jì)算流體動力學(xué)軟件,以電子計(jì)算機(jī)為計(jì)算工具,綜合多種離散化的數(shù)學(xué)方法,可以對流體力學(xué)問題進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬、數(shù)值實(shí)驗(yàn)和分析研究來解決各種實(shí)際問題。CFD軟件的結(jié)構(gòu)一般由前處理、求解器和后處理3部分組成。

    FINE/Marine是一款由NUMECA公司為船舶與海洋工程設(shè)計(jì)的CFD軟件包,圖5所示為主要軟件構(gòu)成與操作流程。由圖可知,該軟件包括了網(wǎng)格生成器HEXPRESS、后處理工具CFView和不可壓粘性流場求解器ISIS-CFD。對于船舶工程問題的模擬都可以通過使用FINE/Marine界面的設(shè)置計(jì)算實(shí)現(xiàn),無需通過二次開發(fā)功能,這為工程師提供了極大的方便[10]。

    圖5 FINE/Marine的主要軟件構(gòu)成與操作流程Fig.5 Composition and operation process of FINE/Marine software

    本文CFD數(shù)值模擬的計(jì)算速度設(shè)置如下:艇體從靜止?fàn)顟B(tài)以1/4正弦加速,在1 s時(shí)達(dá)到設(shè)定航速,然后勻速航行。首先,指定初始速度V0,初始時(shí)間t0。然后,以1/4正弦曲線加速至指定時(shí)刻t1,達(dá)到指定航速V1。最后,以V1勻速航行。

    2.1網(wǎng)格劃分

    圖6和圖7所示分別為HEXPRESS生成的新型高速艇的整體網(wǎng)格和局部網(wǎng)格。

    圖6 新型高速艇的整體網(wǎng)格圖Fig.6 Overall grid map of a new type of high-speed boat

    圖7 新型高速艇的局部網(wǎng)格圖Fig.7 Local grid map of a new type of high-speed boat

    2.2后處理

    后處理過程由數(shù)值模擬和數(shù)值分析兩個部分組成。數(shù)值模擬過程,指將網(wǎng)格模型的每個面以數(shù)值形式表現(xiàn),包括分析處理幾何區(qū)域的選擇、幾何面激活、網(wǎng)格面選擇、流場參數(shù)選擇、流面構(gòu)建、坐標(biāo)系創(chuàng)建等操作。數(shù)值分析過程,指要輸出所激活面上的參數(shù),對選定幾何區(qū)域的流場參數(shù)進(jìn)行分析。矢量分析的相關(guān)內(nèi)容包括體流線、面流線、矢量場和矢量積分等。標(biāo)量分析的相關(guān)內(nèi)容包括云圖、等值線圖、質(zhì)量加權(quán)平均、面積平均,以及沿曲線曲面積分和標(biāo)定任意點(diǎn)值等。

    圖8~圖11為帶有防飛濺條型號46-22的翼滑艇壓力云圖,該模型各參數(shù)見1.2節(jié)和圖3。從圖8中可以看出,防飛濺條處的壓力較大,且圖8(b)的滑行面較圖8(a)小。從圖9中可以看出水翼上的壓力較大,且圖9(b)滑行面比圖9(a)的滑行面小。圖10示出了艇體運(yùn)動時(shí)水線面處的壓力云圖和壓力等值線分布圖。從圖11可以看出,當(dāng)有防飛濺條的翼滑艇進(jìn)入滑行狀態(tài)時(shí),主要由水翼提高升力。

    從以上4種艇體在V=10 m/s相同速度下的滑行面來看,有防飛濺條的翼滑艇滑行面最小,其次是翼滑艇,再其次是有防飛濺條的滑行艇,最后才是滑行艇。因此,防飛濺條的設(shè)計(jì)和水翼都可以有效地加快艇體進(jìn)入滑行狀態(tài)。

    圖8 滑行艇底面壓力云圖(V=10 m/s)Fig.8 Pressure distributions on the bottom of planing boat (V=10 m/s)

    圖9 翼滑艇底面壓力云圖(V=10 m/s)Fig.9 Pressure distributions on the bottom of gliding-hydrofoil craft(V=10 m/s)

    圖10 有防飛濺條的翼滑艇水線面處的壓力云圖和等值線分布圖(V=10 m/s)Fig.10 Pressure distributions and contours on the water-plane of gliding-hydrofoilcraftwith splash-proofstrip (V=10 m/s)

    圖11 有防飛濺條翼滑艇的側(cè)面壓力云圖(V=10 m/s)Fig.11 Pressure distributions on the side of gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip(V=10 m/s)

    3 阻力分析

    3.1不同防飛濺條的比較

    針對型號0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js的水翼對比分析了不同防飛濺條,其中0.5b表示水翼展長為0.5倍的艇寬,7zxb表示水翼展弦比為7,0.5du表示水翼攻角0.5°,0.2L表示水翼位置距艇艏0.2倍艇長,2js表示水翼相對浸深為2。分析結(jié)果如圖12和圖13所示。圖中:Fx,F(xiàn)xv,F(xiàn)z分別為單位排水量下的總阻力、摩擦阻力和升力;G為重力。表4為分析得到的不同型號防飛濺條在V=10 m/s時(shí)的最大升力與重力比值(Fz/G)。

    從表4所示最大升力重力比可以看出,當(dāng)體積傅汝德數(shù)(Fr▽)達(dá)到2.86時(shí)艇體已經(jīng)處于滑行狀態(tài)。由圖12可以看出,艇體加速時(shí)單位排水量升力和單位排水量總阻力隨時(shí)間增加而增加,當(dāng)達(dá)到設(shè)定航速時(shí),艇體勻速航行,此時(shí)單位排水量升力繼續(xù)增加,單位排水量總阻力減小,最終升力上升和阻力下降都趨于平緩。由圖13可以看出,總阻力中的摩擦阻力占比也最終趨于平緩,其值較小,在2%左右變化。綜合來看,型號40-28,43-25和46-22的防飛濺條具有較好的阻力性能,其中型號40-28的最好。

    圖12 不同防飛濺條翼滑艇的單位排水量總阻力和升力隨時(shí)間變化曲線(V=10 m/s)Fig.12 Time histories of the total resistance and lift of unit displacement for the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strips(V=10 m/s)

    圖13 不同防飛濺條翼滑艇的升力與重力比和摩擦阻力成分隨時(shí)間變化曲線(V=10 m/s)Fig.13 Time histories of the lift-gravity ratio and frictiontotal-resistance ratio for the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strips(V=10 m/s)

    表4 不同型號防飛濺條在V=10 m/s時(shí)的最大升力與重力比Tab.4 Maximum lift-gravity ratio of various sizes of splash-proof strip at the speed of V=10 m/s

    3.2不同艇型的綜合比較

    1)對主艇體、水翼、防飛濺條尺寸相同的4種艇型進(jìn)行阻力分析,包括:滑行艇、有防飛濺條滑行艇、翼滑艇和有防飛濺條翼滑艇。圖14~圖17為分析的結(jié)果。

    圖14~圖17中4種艇體編號如下:(1)Bare hull:滑行艇;(2)46-22:具有防飛濺條的滑行艇;(3)0.5b-7zxb:翼滑艇(水翼展長為0.5倍艇寬,展弦比為7,攻角0.5°,距艇艏0.2倍艇長,相對浸深為2);(4)46-22-0.5b-7zxb:加水翼型號0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js和 防 飛 濺 條 型 號46-22。裸艇體重力19 362.91 N,F(xiàn)r▽=2.86。

    圖14~圖15對比了4種艇型的單位排水量阻力和升力、升力與重力比、摩擦阻力與總阻力比,得到的阻力性能好壞依次如下:有防飛濺條的翼滑艇—翼滑艇—有防飛濺條的滑行艇—滑行艇。當(dāng)V=10 m/s時(shí),有防飛濺條的翼滑艇艇體升力已大于重力,艇體已經(jīng)達(dá)到滑行狀態(tài),而此時(shí)滑行艇的升力與重力比最高只有0.65左右。

    圖14 不同艇型的單位排水量總阻力和升力隨時(shí)間變化曲線(V=10 m/s)Fig.14 Time histories of the total resistance and lift of unit displacement for four types of hull(V=10 m/s)

    圖15 不同艇型的升力與重力比和摩擦阻力成分隨時(shí)間變化曲線(V=10 m/s)Fig.15 Time histories of the lift-gravity ratio and friction-total-resistance ratio for four types of hull(V=10 m/s)

    由圖16可知,當(dāng)有防飛濺條的翼滑艇(Boat,型號46-22-0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js)V=10 m/s時(shí),艇體3個部分提供升力的結(jié)果是:主艇體(Hull)最大提供73.69%的艇體重力;水翼(SY)最大提供21.34%的艇體重力;防飛濺條(Fei)最大提供8.28%的艇體重力。由圖17可知,對于4種艇型的縱傾角變化,有防飛濺條的滑行艇的縱傾角反而最小,翼滑艇縱傾角最大,因此防飛濺條可以減小艇體的縱傾角。綜合來看,加水翼或防飛濺條都可以增加艇體升力,使艇體更快地進(jìn)入滑行狀態(tài)。加水翼的效果比加防飛濺條的效果好,而同時(shí)加水翼和防飛濺條的艇體更能改善滑行艇的阻力性能。

    圖16 艇體各部分的升力與重力比隨時(shí)間變化曲線(V=10 m/s)Fig.16 Time histories of the lift-gravity ratio of every part of boat for four types of hull(V=10 m/s)

    圖17 4種艇型縱傾角隨時(shí)間變化曲線(V=10 m/s)Fig.17 Time histories of the trim angle for four types of hull (V=10 m/s)

    2)在型號46-22防飛濺條的滑行艇上安裝最小水翼和最大水翼方案。最小水翼指水翼展長為0.5倍艇寬,展弦比為8,攻角為0.5°。最大水翼是指水翼展長0.65倍艇寬,展弦比為5,攻角為2°。2個水翼分別距艇艏0.2倍艇長,相對浸深為2。兩種方案的分析結(jié)果如表5所示。該表中列出了安裝最大水翼、最大攻角以及最小水翼、最小攻角時(shí)艇的整個艇體、主艇體、水翼和防飛濺條共4個部分的最大升力與重力比。

    表5 艇體各部分的最大升力與重力比(V=10 m/s)Tab.5 Maximum lift-gravity ratio of every part of boat(V=10 m/s)

    由表5所示,在Fr▽=4時(shí),對比兩種方案下的最大水翼升力與重力的比值可知,設(shè)計(jì)的水翼可以提供28.54%~71.10%艇重的升力。從圖18曲線變化的趨勢看,對于最小水翼、最小攻角下的運(yùn)動,在前1 s加速的過程中,水翼(SY)和防飛濺條(Fei)提供的升力一直增大,但幅度較為平緩,而主艇體(Hull)的升力先增大后減小,但1 s后快速增加,提供了主要的升力來源。從圖19曲線變化趨勢看,對于最大水翼、大攻角下的運(yùn)動,水翼(SY)和防飛濺條(Fei)提供的升力一直增大,但防飛濺條的升力幅度較為平緩,水翼的升力上升很快,提供了主要的升力來源。

    圖18 最小水翼、最小攻角時(shí)艇體各部分的升力與重力比隨時(shí)間變化曲線(V=10 m/s)Fig.18 Time histories of lift-gravity ratio of every part of boat with the smallest hydrofoil and minimum angle of attack for four types of hull(V=10 m/s)

    4 結(jié) 語

    本文對一種具有防飛濺條的翼滑艇進(jìn)行了幾何建模,設(shè)計(jì)了8種不同規(guī)格的防飛濺條和64種水翼,通過NUMECA系列軟件對不同工況下的高速艇進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,來研究新型高速艇的水動力性能。研究表明:加水翼或防飛濺條均可增加艇體的升力,使艇體更快地進(jìn)入滑行狀態(tài),其中加水翼的效果較防飛濺條的好。同時(shí),加水翼和防飛濺條的艇體更能改善滑行艇的阻力性能。

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    CFD simulation and comparison analysis of a new type high-speed boat

    WEI Zifan,JING Shengping,YANG Songlin
    College of Marine and Shipbuilding Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China

    The high-speed boat has the advantages of small volume,high-speed,and intelligent control,which can complete search and rescue,detection,navigation,combat,and other tasks,and it has been widely applied in military and civilian fields.Particularly,studying the rapidity performance of high-speed boat is of vital importance for the boat design and analysis of fluid dynamics performance.In this paper,a new type of high-speed boat is presented,whose hydrodynamic performance is analyzed and compared with different high-speed boats through numerical simulation in NUMECA software.The results show that hydrofoil and splash-proof strip can improve the lift force of the boat,helping the boat enter the planing state faster.Moreover,it is seen that the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip has good resistance performance.

    high-speed boat;CFD simulation;resistance performance;splash-proof strip;hydrofoil

    U661.31

    A

    10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.004

    2015-12-03網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-7-29 9:45

    國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379094)

    魏子凡(通信作者),女,1990年生,碩士生。研究方向:船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    E-mail:jkdwzf@163.com

    楊松林,男,1956年生,教授。研究方向:船舶運(yùn)動及其控制,船型綜合優(yōu)化。

    E-mail:ysl560516@vip.163.com

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