壓浪板對(duì)兩棲車輛水動(dòng)力特性影響的數(shù)值分析

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(1.中國(guó)特種飛行器研究所,湖北 荊門 448035;2.江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司,湖南 湘潭 411100;3.西遞安科軟件技術(shù)(上海)有限公司,上海 200120)

隨著大功率推進(jìn)裝置在兩棲車輛上的應(yīng)用,提高和改善兩棲車輛的水動(dòng)力性能已成為各國(guó)研究的重點(diǎn)[1-3]。兩棲車輛與一般艦船的運(yùn)動(dòng)方式相似,但與艦船的黏性繞流場(chǎng)相比,兩棲車輛的流線型較差,方形系數(shù)較高。兩棲車輛周圍繞流場(chǎng)存在大量的分離,再加上自由液面的影響,導(dǎo)致水動(dòng)力特性數(shù)值計(jì)算難度增加[4]。目前應(yīng)用的試驗(yàn)方法基本上參照船舶設(shè)計(jì)中的拖模試驗(yàn)方法,雖然該方法可靠性強(qiáng),但是成本高、周期長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)硬件與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的迅猛發(fā)展,使得采用數(shù)值計(jì)算方法研究?jī)蓷囕v周圍的黏性繞流場(chǎng)成為可能[5-6]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外一些研究者采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)兩棲車輛的繞流場(chǎng)及重疊網(wǎng)格進(jìn)行了數(shù)值模擬[7-9],但沒(méi)有考慮空氣的影響?？諝庾枇υ趦蓷囕v受到的總阻力中所占比例較小,簡(jiǎn)化后的模型假設(shè)流體在自由液面上是不可穿越的,即不考慮車輛的興波和噴濺。這種假設(shè)會(huì)使總阻力計(jì)算值隨著航速的提高誤差不斷增大[10-12],因此有必要對(duì)兩棲車輛帶自由液面黏性繞流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行深入研究。本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論,建立兩棲車輛帶自由液面黏性繞流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型。采用Realizablek-ε兩方程湍流模型、流體體積(VOF)法及重疊網(wǎng)格法對(duì)兩棲車輛繞流場(chǎng)進(jìn)行三維瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算,得到繞流場(chǎng)、阻力、縱傾與升沉。在此基礎(chǔ)上,對(duì)兩棲車輛外形提出優(yōu)化方案,計(jì)算分析兩棲車輛改型前后的水動(dòng)力特性及流場(chǎng)。

1 靜水阻力數(shù)值預(yù)報(bào)方法

1.1 研究對(duì)象

本文以兩棲車輛(見(jiàn)圖1)為研究對(duì)象,對(duì)車體尾部加裝壓浪板的兩棲車輛進(jìn)行水動(dòng)力性能分析,并優(yōu)選出最佳性能的車型。本文所選取的速度為兩棲車輛的設(shè)計(jì)航速25 km·h-1,雷諾數(shù)為2.7×107,長(zhǎng)度弗勞德數(shù)為1.108。在進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算時(shí),采用實(shí)車尺寸進(jìn)行仿真。由于兩棲車輛是左右對(duì)稱的,因此采用實(shí)車的一半進(jìn)行計(jì)算。本文僅對(duì)阻力、縱傾、升沉等3個(gè)自由度進(jìn)行研究。

圖1 兩棲車輛尾部示意圖Fig.1 Afterbody of amphibious vehicle

1.2 控制方程

兩棲車輛的自由液面繞流是兩相流動(dòng)問(wèn)題,自由液面即為水和空氣的交界面。由于速度較低,空氣可作為不可壓縮流體處理。自由液面的捕捉采用VOF法,VOF法是一種固定歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法,用于構(gòu)造和捕捉自由液面的數(shù)值計(jì)算。該方法可以處理具有空氣和流體交界面的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)等問(wèn)題。在VOF法中,不同流體組共用一套動(dòng)量方程,計(jì)算時(shí)在全流場(chǎng)的每個(gè)計(jì)算單元內(nèi),記錄下各流體組分所占體積。本文使用的湍流模型為Realizablek-ε兩方程湍流模型。該模型已經(jīng)有效地應(yīng)用于各種類型的流動(dòng)模擬,包括邊界層流動(dòng)和管內(nèi)流動(dòng),比RNG(Renormalization group)k-ε兩方程模型有更廣泛的適用性。Realizablek-ε兩方程湍流模型不僅適用于充分發(fā)展的湍流,也適用于近壁區(qū)內(nèi)的流動(dòng)以及Re數(shù)較低的流動(dòng)。

1.3 網(wǎng)格處理方法

區(qū)域離散的實(shí)質(zhì)就是用有限個(gè)離散點(diǎn)來(lái)代替原來(lái)的連續(xù)空間,即生成計(jì)算網(wǎng)格?？梢圆捎?種網(wǎng)格對(duì)兩棲車輛進(jìn)行計(jì)算:整體網(wǎng)格和重疊網(wǎng)格。如圖2所示,采用整體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算時(shí),由于車體姿態(tài)變化顯著,容易發(fā)生自由液面移動(dòng)出網(wǎng)格加密區(qū)的情況,因此計(jì)算精度大幅降低。

圖2 整體網(wǎng)格不同時(shí)刻的網(wǎng)格變化Fig.2 Gridding variation of global grid in different times

從圖2可以看出,在初始姿態(tài)下,自由液面位于網(wǎng)格加密區(qū)內(nèi),可取得良好的自由液面捕捉效果。計(jì)算過(guò)程中,車體發(fā)生大幅度的縱傾與升沉變化,計(jì)算區(qū)域隨車體整體移動(dòng),使得針對(duì)自由液面的網(wǎng)格加密區(qū)與自由液面不能實(shí)現(xiàn)良好的位置匹配,導(dǎo)致對(duì)自由液面的捕捉精度大幅降低,如圖3所示。從圖3的興波圖像上看,計(jì)算所得自由液面出現(xiàn)了“凹凸不平”的現(xiàn)象,這主要是由于姿態(tài)的變化使得自由液面移動(dòng)出了網(wǎng)格加密區(qū),導(dǎo)致網(wǎng)格與自由液面不匹配。

要使計(jì)算域發(fā)生縱傾與升沉后自由液面仍然能夠落在加密區(qū)內(nèi),就必須增加自由液面加密區(qū)的高度。加密區(qū)高度的增加導(dǎo)致網(wǎng)格大幅增加,極大地影響了計(jì)算效率。為了保持一定的計(jì)算效率,在劃分網(wǎng)格時(shí)采用重疊網(wǎng)格。結(jié)合擾流情況,把計(jì)算區(qū)域劃分為2個(gè)區(qū)域,分別為內(nèi)區(qū)域(車體附近)和外區(qū)域(離車體較遠(yuǎn)),如圖4所示。由于流場(chǎng)情況比較復(fù)雜,因此對(duì)車體及行走機(jī)構(gòu)周圍所在的內(nèi)區(qū)域采用適應(yīng)性很強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散;對(duì)遠(yuǎn)離車體的流場(chǎng)外區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(六面體)進(jìn)行較疏離散,以減小網(wǎng)格數(shù)量。2個(gè)區(qū)域之間采用重疊網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行流動(dòng)參數(shù)插值,從而保證模型發(fā)生大幅運(yùn)動(dòng)時(shí)自由液面的加密網(wǎng)格不發(fā)生移動(dòng)。從圖4可以看出,對(duì)重疊區(qū)域附近的網(wǎng)格加密,而且背景網(wǎng)格加密區(qū)域較大,這主要是考慮到背景網(wǎng)格加密區(qū)域要覆蓋整個(gè)重疊區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)所能到達(dá)的極限位置。另外,由于車體姿態(tài)變化顯著,因此需要較大的背景加密區(qū)域,以保證計(jì)算精度。在一次初始姿態(tài)修正后,計(jì)算所得自由面十分“光滑”,所得結(jié)果更加可靠。

圖4 重疊網(wǎng)格及運(yùn)動(dòng)效果Fig.4 Overset mesh and moving effect

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格劃分是一個(gè)比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié),計(jì)算網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)結(jié)果的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、收斂性以及計(jì)算效率和計(jì)算精度影響很大。由于計(jì)算時(shí)將連續(xù)域離散化,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的密度及分布就會(huì)影響流體的性質(zhì),因此應(yīng)根據(jù)流場(chǎng)中各物理量的分布特點(diǎn)對(duì)計(jì)算域進(jìn)行合理地網(wǎng)格劃分,尤其是對(duì)一些關(guān)鍵部位。

計(jì)算網(wǎng)格需滿足以下基本要求:①計(jì)算域的尺寸與常規(guī)的水動(dòng)力計(jì)算尺寸保持一致;②模型在航向上有200個(gè)左右網(wǎng)格,應(yīng)不低于100個(gè),局部特征較小處網(wǎng)格加密;③車身姿態(tài)角較大,采用重疊網(wǎng)格;④在自由液面附近進(jìn)行網(wǎng)格加密,自由液面Z方向的網(wǎng)格加密區(qū)域有2個(gè),在自由液面上下兩側(cè)是對(duì)稱關(guān)系,第一層加密高度是0.1 m,第二層加密高度是0.2 m;⑤自由液面加密處X、Y、Z向尺寸分別為Z=L/1 000,X=Y=50Z,其中L為車身長(zhǎng)度;⑥網(wǎng)格質(zhì)量必須滿足面網(wǎng)格變化率≥1、體網(wǎng)格變化率≤1的要求。計(jì)算網(wǎng)格在滿足以上要求時(shí),選用2種網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,如表1所示。本文計(jì)算結(jié)果是按某比例縮放的數(shù)據(jù),非原始數(shù)據(jù)。

表1 不同網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Numerical results in different griddings

一般來(lái)說(shuō),網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)越多,計(jì)算精度越好。從表1的計(jì)算結(jié)果可以看出,2種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果相差不大。為了提高計(jì)算效率,采用220萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,如圖5所示。

圖5 200萬(wàn)網(wǎng)格Fig.5 2 000 thousand gridding

2.2 壓浪板對(duì)車體繞流的影響

兩棲車輛是同時(shí)具有陸地和水上行駛性能的車輛,兼顧到陸地和水上的使用環(huán)境,結(jié)構(gòu)外形不能像船一樣做成流線形。端面形狀變化較劇烈的車體首部導(dǎo)致兩棲車輛在水中行駛時(shí)阻力較大,興波嚴(yán)重,尤其高速時(shí)車體首部上水會(huì)造成埋首等問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)車輛不能前進(jìn)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算,分析加裝壓浪板前后3種車型在航速為25 km·h-1時(shí)的流場(chǎng)特性。表2所示為設(shè)計(jì)航速下三自由度運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果。

表2 25 km·h-1航速時(shí)的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Numerical results at the speed of 25 km·h-1

從計(jì)算結(jié)果可以看出,1號(hào)改型(3)阻力最小,并且姿態(tài)角最小。在航速25 km·h-1時(shí),改型車輛總阻力分別減小17.6%、24.6%,可使改型車輛在相同功率下水上航速顯著提高。

圖6和圖7是加裝壓浪板前后車體周圍流場(chǎng)及對(duì)稱面。模型在兩棲車輛尾部產(chǎn)生空氣渦旋,方尾下端低于弦側(cè)水面,水流向后形成一個(gè)凹槽,出現(xiàn)明渠流中的“水躍”現(xiàn)象,這與高速艇的尾流情況一致。氣水兩相之間有摻混,車體尾部后方水面下降,車輛陷入由自身運(yùn)動(dòng)形成的盆狀空間內(nèi),整體車輛尚未因滑行而完全托出水面。同時(shí)可以看出,加裝壓浪板對(duì)車體周圍繞流有較大影響,并且加裝壓浪板后兩棲車輛姿態(tài)角明顯降低。

車體尾部形狀的急劇變化引起突然去流,形成了很大渦旋,渦旋的存在勢(shì)必造成車體尾部壓力的驟降。壓差阻力占兩棲車輛總阻力的絕大部分,因此有必要對(duì)車體和流場(chǎng)的壓力分布進(jìn)行分析。由于3種模型的車體壓力分布及周圍流場(chǎng)壓力、速度分布情況基本相同,因此本文僅給出1號(hào)改型(2)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。從圖8車體壓力云圖可以看到,車體首部產(chǎn)生的壓力較大,車體尾部位產(chǎn)生的壓力較小,這就形成了壓差阻力,阻礙車輛的前進(jìn)。

圖6 流場(chǎng)Fig.6 Flow field

圖7 對(duì)稱面Fig.7 Plane of symmetry

圖8 壓力云圖Fig.8 Pressure diagram

3 結(jié)論

(1)加裝壓浪板的兩棲車輛水上性能更優(yōu)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了某型兩棲車輛黏性繞流場(chǎng)的關(guān)鍵信息,結(jié)果表明加裝壓浪板的兩棲車輛流場(chǎng)特性得到了較大改善,有效降低了航行總阻力。

(2)采用重疊網(wǎng)格法和VOF法,可計(jì)算兩棲車輛在一定航速下穩(wěn)定行駛時(shí)的航態(tài)和水動(dòng)力特性。數(shù)值計(jì)算中考慮了興波的影響,捕捉到的自由液面波形與實(shí)際情況相符。由于考慮了興波阻力,保證了車體航行時(shí)總阻力的計(jì)算精度。

(3)計(jì)算兩棲車輛水動(dòng)力特性時(shí),車體繞流場(chǎng)區(qū)域采取分區(qū)混合網(wǎng)格劃分方案。該方案不僅減少了網(wǎng)格總數(shù),還保證了足夠的計(jì)算精度。設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)時(shí),從內(nèi)到外的網(wǎng)格尺寸比例不要超過(guò)1∶4。

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