槽道參數(shù)對(duì)倒V型槽道滑行艇阻力性能的影響

鄒 勁 馬晶晶 姬朋輝 康 釗

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001）

引 言

隨著科技發(fā)展日新月異，高性能船舶不斷推陳出新。哈爾濱工程大學(xué)孫華偉［1］就滑行面形狀對(duì)滑行艇阻力與航態(tài)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究；常亮［2］預(yù)報(bào)不同航速的滑行艇阻力，對(duì)不同的船型參數(shù)給出設(shè)計(jì)建議；大連海事大學(xué)范偉同［3］基于CFD理論，對(duì)粘性流場(chǎng)中滑行艇的水動(dòng)力性能進(jìn)行初步計(jì)算研究；哈爾濱工程大學(xué)蘇玉民等人［4］為準(zhǔn)確評(píng)估三體槽道滑行艇水動(dòng)力性能，研究該船型阻力特性和船型特征；王慶旭等人［5］通過模型實(shí)驗(yàn)和CFD模擬等方法證明中高速階段三體滑行艇相對(duì)于雙體滑行艇的阻力和耐波性等優(yōu)勢(shì)?？傊?，雙體滑行艇航行穩(wěn)定性較好，但高速時(shí)相比單體滑行艇阻力較大，艇體噴濺嚴(yán)重；而三體滑行艇有優(yōu)異的快速性、良好的穩(wěn)定性、杰出的耐波和操縱性，但中低速阻力較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文結(jié)合雙體和三體滑行艇優(yōu)點(diǎn)提出全新艇型——倒V型槽道滑行艇，該艇具有航行阻力小、可見興波小、波浪砰極小、縱向穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)槽道半徑、槽道高度和槽道平直段寬度3個(gè)參數(shù)，進(jìn)行增量研究利用CFD軟件Star-ccm+分析該艇型水動(dòng)力特性，研究出適合倒V型槽道艇的最佳設(shè)計(jì)方案。

1 倒V型槽道滑行艇介紹

如圖1倒V型槽道滑行艇外形結(jié)構(gòu)，其兩個(gè)片體的滑行面為內(nèi)傾式，槽道橫剖面形狀為橢圓形。

圖1 倒V型槽道滑行艇

該艇型模型參數(shù)見表1。

如圖2所示，將槽道的形狀劃分為：槽道半徑、槽道高度和槽道平直段寬度3個(gè)參數(shù)，并對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行增量研究，以獲得適合倒V型槽道艇的最佳設(shè)計(jì)方案。本文將原槽道參數(shù)下的模型表示為M0。為有效分析槽道參數(shù)對(duì)倒V型槽道艇阻力性能的影響，同時(shí)兼顧計(jì)算資源的限制，本文在半滑行狀態(tài)取Fr▽=1.80（V=4 m/s）為代表，滑行狀態(tài)取Fr▽=3.14（V=7 m/s）、Fr▽=4.49（V=10 m/s）為代表，超高速滑行狀態(tài)取Fr▽=5.83（V=13 m/s）為代表。

表1 模型參數(shù)

圖2 槽道參數(shù)的劃分

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 控制方程

對(duì)于不可壓縮的粘性流動(dòng)其連續(xù)性方程為：

動(dòng)量方程為：

式中：ui和uj為速度分量時(shí)均值（i、j=1，2，3）；p為壓力時(shí)均值；ρ為流體密度；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)；si為動(dòng)量方程廣義源項(xiàng)；ρuiuj為雷諾應(yīng)力項(xiàng)；上劃線“—”表示對(duì)物理量取時(shí)間平均。

2.2 湍流模型及VOF法

本文的CFD模擬方案選擇SSTk-ω湍流模型，這種湍流模型把工程中標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型的優(yōu)點(diǎn)集于一身，能在精確反映實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)的同時(shí)又兼具良好的計(jì)算穩(wěn)定性和收斂性。

VOF法是船舶領(lǐng)域中求解自由表面問題常用的主流方法。處理自由表面問題實(shí)際上就是追蹤空氣和水兩種介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)界面，在船舶領(lǐng)域以VOF法最為常用［6-7］，該方法可以解決兩相交界面的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)等問題。

3 計(jì)算模型設(shè)置

倒V型槽道滑行艇作為一種新型滑行艇，其研究資料匱乏，綜合考慮選擇艇型外形和水動(dòng)力作用原理相似的三體滑行艇作為本論文CFD驗(yàn)證的模型，以最大程度保證CFD計(jì)算方案的有效性。試驗(yàn)所用的三體滑行艇模型如圖3所示。船?？傞L(zhǎng)2.5 m、寬0.87 m、型深0.31 m，重心位置在0.75 m、0 m、0.22 m處，排水量130 kg。

圖3 船模三維模型

3.1 計(jì)算域

由于滑行艇的對(duì)稱性，為提高計(jì)算效率節(jié)省計(jì)算資源，本文采用單側(cè)模型計(jì)算。其流體域?yàn)橐婚L(zhǎng)方體，考慮到艇體周圍和自由面附近網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算精度的影響，在這兩處設(shè)置加密區(qū)以精確捕捉自由液面和艇體周圍的流場(chǎng)細(xì)節(jié)。流場(chǎng)域設(shè)置見圖4，計(jì)算域范圍由船首向前延伸1倍船長(zhǎng)；流場(chǎng)向后延伸3倍船長(zhǎng)，垂直方向上由滑行艇基線向下延伸2倍船長(zhǎng)，向上延伸1倍船長(zhǎng)，計(jì)算域左側(cè)距離滑行艇左舷1.5倍船長(zhǎng)，滑行艇中縱剖面所在的計(jì)算域一側(cè)為對(duì)稱面，入口處邊界條件為速度入口，出口處邊界條件為壓力出口，周向邊界為速度入口。

圖4 流場(chǎng)域及邊界條件的設(shè)置

3.2 網(wǎng)格劃分

本文的網(wǎng)格劃分采用的是切割體網(wǎng)格。兩個(gè)加密區(qū)的網(wǎng)格尺寸設(shè)置見圖5。船體周圍加密區(qū)采用各向同性加密原則，網(wǎng)格大小設(shè)置為6‰L；自由液面附近加密區(qū)采用各向異性加密原則，設(shè)置網(wǎng)格尺寸在x、y方向?yàn)?0‰L，在z方向上為10‰L。

圖5 網(wǎng)格劃分

4 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析

4.1 槽道內(nèi)水氣作用機(jī)理

為更直觀分析槽道內(nèi)水流、氣流的分布情況，本文提取了距艇體尾板0.1 m處的橫剖面（見圖6）。低速時(shí)，整個(gè)槽道的絕大部分被水（紅色）浸沒，僅有槽道頂部覆蓋一層薄薄的空氣層（藍(lán)色）。在進(jìn)入滑行狀態(tài)后，槽道內(nèi)的興波直接打到槽道頂部，槽道內(nèi)空氣所占的比重不斷增加。在進(jìn)入超高速滑行階段后，在槽道和興波之間形成明顯的空氣層。

圖6 槽道內(nèi)水汽分布圖

4.2 槽道半徑參數(shù)對(duì)艇體阻力性能的影響

本節(jié)對(duì)不同槽道半徑進(jìn)行三維建模并進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，對(duì)比分析不同的槽道半徑對(duì)倒V型槽道滑行艇阻力性能的影響以及槽道水動(dòng)力性能的改變。在改變槽道半徑參數(shù)的同時(shí)保持其他幾何參數(shù)不變，分別將槽道半徑減小和增大M0的10 mm（12.5%），即槽道半徑分別為70 mm和90 mm，如圖7相應(yīng)的模型為MR1和MR2。

圖7 槽道半徑改變后的橫剖面對(duì)比圖

4.2.1 槽道半徑參數(shù)對(duì)艇體阻力和姿態(tài)的影響

阻升比曲線見圖8?？梢?，改變槽道的半徑對(duì)艇體的阻力影響非常明顯，模型在各速度段的阻力值層次分明，各阻升比曲線之間不存在交點(diǎn)。就3個(gè)模型相比而言，MR2的阻力性能最為優(yōu)良，其在超高速滑行階段的減阻效果也最明顯，相比M0阻力值減小4%；MR1的阻力性能最差，且隨著航速提高其阻力的增幅逐漸變大，在Fr▽=4.49時(shí)其增幅已達(dá)到9%。另一個(gè)不可忽視的方面是該模型在超高速的計(jì)算中呈現(xiàn)典型的海豚運(yùn)動(dòng)，這就說明槽道半徑的減小使倒V型滑行艇在高速滑行階段的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性變差了。

圖8 阻升比曲線

各模型除在低速過渡航行時(shí)吃水值稍有差別，在進(jìn)入到滑行階段后吃水值幾乎完全相同，這說明槽道半徑的改變對(duì)倒V型槽道艇吃水的影響并不明顯（見下頁表2）。對(duì)于傾角，槽道半徑對(duì)其的影響與對(duì)阻力的影響趨勢(shì)相同，在全速度段內(nèi)，傾角值M0＞MR2，在模型MR1的可穩(wěn)定計(jì)算速度范圍內(nèi)，艇體傾角均大于M0。

4.2.2 槽道半徑參數(shù)對(duì)槽道水動(dòng)力性能的影響

由于只改變對(duì)槽道的半徑參數(shù)，艇體主尺度并沒有發(fā)生變化，因此艇體2個(gè)倒V型片體在槽道內(nèi)引起的興波總能量不變。增大槽道半徑使槽道橫向空間相應(yīng)增大，減輕了槽道內(nèi)水流的擠壓程度，降低了興波和噴濺高度。由圖6和圖9可見，3個(gè)模型的槽道內(nèi)氣液分布在進(jìn)入滑行階段以后出現(xiàn)明顯差異：MR2槽道內(nèi)興波的高度和寬度是3個(gè)模型中最小的，其槽道也是最先被氣流貫通即槽道頂最先和興波波面脫離，減小了相同航速下槽道內(nèi)的濕表面積；MR1槽道內(nèi)的興波在3個(gè)模型中最為明顯，其興波波面與槽道頂接觸形成較為明顯的平直段，興波波面直到艇體進(jìn)入超高速滑行階段才與槽道頂脫離。

表2 各模型阻力、傾角和吃水

圖9 模型MR1、MR2槽道氣液分布圖

通過計(jì)算和分析，倒V型槽道艇的槽道半徑應(yīng)適當(dāng)大一些，即：槽道形狀較為圓滑，使槽道各部分之間有較平緩的過渡。在槽道頂層空氣提供一定的垂向升力。這樣，不僅槽道擁有較好的水動(dòng)力性能。由于浸濕面積減少，全艇的阻力性能也較好，并且還可以提高艇體超高速航行時(shí)的縱向穩(wěn)定性。

4.3 槽道高度參數(shù)對(duì)艇體阻力性能的影響

本節(jié)將對(duì)槽道的另一個(gè)重要參數(shù)槽道高度繼續(xù)進(jìn)行論述分析。同樣只改變槽道高度參數(shù)，分別減小和增大M0的15 mm（10%），即槽道高度分別為135 mm和165 mm，相應(yīng)的模型為MH1和MH2（參見圖10）。

圖10 槽道高度變化后的橫剖面圖

4.3.1 槽道高度參數(shù)對(duì)阻力和姿態(tài)的影響

圖11為阻升比曲線。

圖11 阻升比曲線

由圖11可知，槽道高度對(duì)倒V型槽道艇阻力的影響主要體現(xiàn)在滑行階段以后。在低速階段，三者的阻力非常接近，且阻升比曲線在此階段還有交叉。從阻力值大小的角度來講，在低速時(shí)，槽道高度對(duì)倒V型滑行艇的影響較小且不明確。在倒V型滑行艇進(jìn)入高速滑行以后，槽道高度對(duì)阻力性能的影響開始愈加明顯。當(dāng)Fr▽=4.49時(shí)，MH1相比于M0的減阻效果為2.2%；而當(dāng)航速提升到Fr▽=5.83時(shí)，其減阻效果增加到4.6%。同樣，對(duì)于MH2，當(dāng)Fr▽=4.49時(shí)，相比于M0阻力增加了2.1%；但當(dāng)Fr▽=5.83時(shí)，其阻力增加約6%。

由表3可知，3個(gè)模型的吃水值相差不大，除MH1的吃水稍小外，M0和MH2的吃水在高速航行時(shí)完全相同。這說明槽道高度的改變對(duì)艇體吃水的影響可忽略不計(jì)。槽道高度參數(shù)對(duì)縱傾的影響和對(duì)阻力的影響類似，均是在高速階段開始出現(xiàn)明顯影響。低速時(shí)，3個(gè)模型的傾角差值非常小；進(jìn)入高速滑行后，MH1的傾角在3個(gè)模型中最小，相比于M0，其傾角約減小5.7%，而M0和MH2兩者的縱傾相差無幾。

表3 各模型阻力、傾角和吃水

4.3.2 槽道高度參數(shù)對(duì)槽道水動(dòng)力性能的影響

同樣，由于僅對(duì)槽道的高度作了些改變，而艇體主尺度并沒有發(fā)生變化，因此兩片體在槽道內(nèi)引起的興波的總能量未變，槽道高度的變化必然會(huì)引起槽道壁面對(duì)興波能量的吸收效率，下面將對(duì)此影響作些解釋。

槽道高度的改變主要是指槽道平直段在垂向位置的改變，即槽道空間在垂向的改變。圖12為不同速度下的槽道水汽分布云圖。

圖12 不同速度下的槽道內(nèi)水汽分布云圖

由圖12可知：3個(gè)模型在中低速段，槽道內(nèi)的絕大部分被水浸沒，興波波面均直達(dá)槽道頂，此時(shí)槽道內(nèi)的水汽分布并未見明顯差異；隨著航速的進(jìn)一步提高，3個(gè)模型中的MH1的槽道最先被氣流貫通，興波波面最先與槽道頂脫離，槽道與水接觸的濕表面積成為3個(gè)模型中最小的；因此阻力值也最小，而MH2由于槽道自身表面積較大，興波在槽道壁上會(huì)形成較大的濕表面，因此阻力性較差。

通過本節(jié)的計(jì)算和分析可獲知：降低槽道高度使槽道的工作段變長(zhǎng)，槽道的垂向升力增加，改善了倒V型槽道艇的阻力性能；與此相反，增大槽道高度則使艇體的阻力性能變差。

4.4 槽道寬度參數(shù)對(duì)艇體阻力性能的影響

槽道寬度是指槽道頂部平直段的寬度。只改變槽道寬度參數(shù)，分別減小和增大M0的5 mm（16.7%），即槽道寬度分別為25 mm和35 mm，相應(yīng)的模型為MB1和MB2。槽道寬度變化后的橫剖面圖見圖13。

圖13 槽道寬度變化后是橫剖面圖

4.4.1 槽道寬度參數(shù)對(duì)艇體阻力和姿態(tài)的影響

圖14為阻升比曲線。由該圖可知，槽道寬度對(duì)艇體阻力的影響也是在滑行階段和超高速滑行階段。當(dāng)Fr▽≤3.14時(shí)，3個(gè)模型的阻力值相差很小，故在此速度段槽道寬度的大小對(duì)艇體阻力的影響均可忽略不計(jì)。在滑行階段，阻力值的大小順序?yàn)椋篟MB2＞RMB1＞RM0，說明在此階段增大或減小槽道寬度，對(duì)艇體的阻力性能顯然都是不利的。

圖14 阻升比曲線

在進(jìn)入超高速滑行階段后，MB1的阻力值成為3個(gè)模型中最大值，MB2的阻力值反而成為阻力性能最好的模型。需要指出的是，MB1在超高速計(jì)算中出現(xiàn)輕微的高頻振蕩現(xiàn)象，說明減小槽道平直段的寬度會(huì)降低艇體的縱向穩(wěn)定性。

各模型的阻力、傾角和吃水見表4。

表4 各模型阻力、傾角和吃水

由表4可知，3個(gè)模型的吃水隨著速度的增加差值逐漸增大。在Fr▽=4.49處，最大差值為5.5%；而在Fr▽=5.83處，最大差值為7.4%。對(duì)于艇體縱傾的影響： 低速時(shí)，3個(gè)模型的傾角并無明顯差別；進(jìn)入滑行階段以后，MB1隨著航速而增大，其傾角成為3個(gè)模型中最小的，而M0和MB2的傾角幾乎完全相同。

4.4.2 槽道寬度參數(shù)對(duì)槽道水動(dòng)力性能的影響

槽道寬度的改變是指槽道頂部平直段寬度的改變，其在橫向改變槽道的內(nèi)部空間。對(duì)比圖6和下頁圖15：在中低速時(shí)，雖然3個(gè)槽道內(nèi)的水汽分布形態(tài)有所不同（例如：MB1槽道內(nèi)興波波面不僅完全覆蓋槽道頂部，而且沿著槽道壁面流向片體一側(cè)，而MB2興波波面則僅覆蓋槽道頂部），但三者槽道內(nèi)的濕表面積相差無，因此阻力值非常相近；隨著航速的提高，三者槽道內(nèi)的水汽分布形態(tài)趨于相同，槽道興波波面開始與槽道頂脫離，波面與槽道壁面的接觸面積開始緩減，但由于MB2的槽道濕表面積最大，因此其阻力最大；當(dāng)滑行艇進(jìn)入到超高速滑行階段時(shí)，M0和MB2槽道已經(jīng)被氣流貫通，在水面和槽道之間形成穩(wěn)定的氣層，而MB1由于槽道空間狹小，槽道興波還有部分直達(dá)槽道頂部增加濕表面積（即增加了阻力）。

圖15 不同速度下的槽道內(nèi)水汽分布云圖

通過本節(jié)的計(jì)算和分析可知：槽道寬度變窄，其所受水汽動(dòng)升力減小，不僅使艇體的阻力性能變差而且也降低在超高速階段艇體的縱向穩(wěn)定性，即為不利變化；而槽道變寬，其所受水汽動(dòng)升力變大，可降低超高速段阻力值。這意味著設(shè)計(jì)航速在超高速段的倒V型槽道滑行艇，應(yīng)適當(dāng)增加槽道的寬度，既可提高阻力性能，還可增加甲板面積，便于設(shè)備布置。

5 結(jié) 論

本文首先對(duì)倒V型槽道滑行艇的槽道水動(dòng)力作用進(jìn)行解釋說明，將槽道形狀劃分為槽道半徑、槽道高度以及槽道寬度3個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，并分別進(jìn)行增量研究。結(jié)果表明：適當(dāng)增加槽道半徑，降低槽道高度，均可改善倒V型的阻力性能；而增加槽道寬度，在中低速段會(huì)增加艇體阻力，但在高速段卻會(huì)減小艇體阻力。

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