斷級在倒V型槽道滑行艇上的應用研究

姬朋輝，袁 帥，魏 鵬，鄒 勁

(1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

倒V型槽道滑行艇充分吸收了雙體滑行艇艇型結(jié)構(gòu)簡單和三體滑行艇水動力性能優(yōu)異的特點，其兩個片體的滑行面為內(nèi)傾式、槽道橫剖面形狀為橢圓形。該艇具有航行阻力小、可見興波小、波浪砰擊小、縱向穩(wěn)定性好以及良好的操縱性、寬敞的甲板面積等優(yōu)點。

斷級又稱作斷階，是高速快艇常用的提高滑行效率、降低阻力的措施，其通常設(shè)置在艇底的中后部，使此處底部滑行面出現(xiàn)不連續(xù)的階梯形狀。與單體斷級滑行艇不同的是，倒V型槽道艇因為內(nèi)傾式滑行面和特殊槽道結(jié)構(gòu)，并且槽道和滑行面又直接參與艇體運動姿態(tài)的控制，而艇體姿態(tài)又直接影響到斷級的水動力性能和作用效果，因此對于倒V型滑行艇而言，斷級的設(shè)置、作用機理以及是否能夠起到減阻效果都需要討論分析。

本文根據(jù)斷級減阻的工作原理,創(chuàng)造性地提出了適合倒V型槽道滑行艇艇型特點的斷級形式,并利用CFD技術(shù)驗證了斷級減阻的有效性。

1 倒V型槽道滑行艇艇型特點

倒V型槽道滑行艇屬于雙體滑行艇，具有雙體滑行艇的典型特征：中間槽道和兩個側(cè)片體結(jié)構(gòu)，見圖1。但其外形結(jié)構(gòu)又具有兩個明顯的特點：

(1)內(nèi)傾式滑行面的側(cè)片體。該艇的主體結(jié)構(gòu)為兩個大小相同的側(cè)片體。內(nèi)側(cè)為艇底滑行面，滑行面剖面形式呈倒V型；外側(cè)則為近似直壁的舷側(cè)結(jié)構(gòu)，在舷側(cè)上設(shè)置了單個折角邊和靠近槽道側(cè)均設(shè)置了折角邊。

(2)橢圓形槽道。兩個側(cè)片體間的槽道橫剖面呈橢圓形，槽道兩側(cè)采用圓弧壁面，頂部為平直段，并在縱向上槽道寬度由艉部向艏部逐漸擴大。

2 CFD數(shù)值模擬方案

2.1 數(shù)值計算方案

對不可壓縮牛頓粘性流動滿足連續(xù)性方程和動量守恒方程[1]：

(1)

(2)

本文的湍流模型選擇為SSTK-ω湍流模型。該模型綜合了標準K-ε湍流模型和標準K-ω湍流模型的優(yōu)點，能夠在精確反應實際流動狀態(tài)的基礎(chǔ)上同時具有良好的計算穩(wěn)定性和收斂性[2-4]。本文采用在船舶領(lǐng)域中最為常用的VOF法進行自由液面的求解。該方法可以解決兩相交界面的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)等問題，代表了求解自由表面問題的主流思路。

2.2 計算域的設(shè)置

由于倒V型槽道滑行艇左右對稱，為節(jié)約計算資源、提高效率，本文采用單側(cè)模型計算。流體域為一長方體，因為艇體周圍和自由液面附近的網(wǎng)格尺寸對計算精度有著明顯影響，因此本文在艇體周圍和水線面附近設(shè)置了兩個加密區(qū)以便更加精確地捕捉自由液面和艇體周圍的流場細節(jié)。流場域的具體尺寸大小和邊界條件設(shè)置見圖2，其中L代表船模船長。

圖2 計算域劃分示意圖

本文的網(wǎng)格劃分采用的是Star-ccm+軟件自帶的網(wǎng)格劃分工具，網(wǎng)格類型為切割體網(wǎng)格。對于兩個加密區(qū)網(wǎng)格尺寸設(shè)置如下：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，網(wǎng)格尺寸在x、y方向設(shè)置為20‰L，在z方向上設(shè)置為10‰L，船體表面設(shè)置為6‰L[5]。

倒V型槽道滑行艇作為最新提出的一種艇型，出現(xiàn)時間短，理論和實驗研究的資料都極其匱乏。綜合考慮，本文CFD計算采用模型計算。船?？傞L為2.5 m，寬為0.87 m，型深為0.31 m，重心位置在(0.75 m,0 m,0.22 m)處，排水量為130 kg。

3 斷級在倒V型槽道滑行艇的應用

3.1 斷級的設(shè)置方案

合適的斷級結(jié)構(gòu)不僅可以降低艇體的浸濕面積從而減小粘性阻力，而且還能夠提升滑行面的滑行效率?；忻嬖O(shè)置斷級后，水流在斷級處分離，并在分離后形成通氣區(qū)，而通氣區(qū)的位置，應正好處在同一個沒有斷階的滑行艇的艇底的低壓區(qū)域。因為在折角線處流動開始分離的地方，單位長度的垂向水動力為最大，所以斷級必須設(shè)置在這個位置后面一定距離的地方[6]。但由于倒V型槽道滑行艇滑行面為內(nèi)傾式，即：其滑行面為內(nèi)高外低而不同于普通滑行艇滑行面的內(nèi)低外高，因此其斷級的設(shè)置方案就需要特殊考慮。

有研究表明，對于斷級高度的設(shè)置應取為2%～4%艇體折角線寬[7]，因此本文斷級高度設(shè)置為3%艇體折角線寬即17.1 mm。對于斷級的安裝位置，文獻[8]詳細研究了斷級安裝位置對滑行艇阻力性能的影響，并建議：對于單斷級滑行艇斷級的安裝位置應在1～1.4倍的艇體折角線寬。因此，本文將斷級設(shè)置在距艉封板1.22B(B代表船寬)處，即距艉封板的距離為700 mm。而對于斷級角度的設(shè)置，由于內(nèi)傾式片體的存在，滑行面呈現(xiàn)出內(nèi)高外低，為了使斷級會更好地引入槽道的氣體，發(fā)揮斷級的減阻效果，倒V型滑行艇斷級需設(shè)置成反向形式，即：斷級與中縱剖面線所形成的銳角為30°。斷級設(shè)置方案如圖3所示。

圖3 倒V型槽道滑行艇斷級設(shè)計方案

3.2 倒V型槽道滑行艇斷級的減阻機理

由圖3看出，斷級將倒V型槽道滑行艇的艇底滑行面分成兩部分：由艇艏到斷級間的滑行面為P1，由斷級到艉封板間的滑行面為P2，其中P1在縱向長度上遠大于P2。斷級之所以起到減阻效果，除了每個滑行面的滑行效率得到提高外，還在于斷級后空穴的形成，因此就有必要研究空穴形成的機理。

對于帶有斷級倒V型槽道滑行艇，水流經(jīng)過斷級處時由于滑行面P2突然上抬，水流和滑行面P2之間出現(xiàn)了脫體現(xiàn)象，水流經(jīng)過一段距離后再重新打到滑行面P2上，這樣就在斷級后形成了一個類似真空的區(qū)域。由于該區(qū)域處在低壓狀態(tài)，能夠?qū)⒉鄣纼?nèi)的空氣從斷級與槽道的開口處吸入，形成斷級后的空穴。由斷級處的壓力分布可以看出，水流越過斷級后在斷級附近首先形成一個明顯的低壓區(qū)域，當再次與滑行面接觸時又形成明顯的高壓區(qū)。

空穴形態(tài)隨速度的變化見圖4。由圖4可以看到，當航速較低時，水流在越過滑行面P1后會迅速與滑行面P2接觸，這樣可供空穴存在的空間極小。另外，由于槽道內(nèi)空氣較少，斷級能夠引入的空氣量也極少，因此斷級后幾乎沒有空穴的形成。隨著航速的提高，斷級引入的空氣量逐漸增大，水流越過斷級的距離也不斷增加，斷級后的空穴形狀和作用區(qū)域也不斷增加。從圖中可以看到，當航速為Fr=5.83，空穴覆蓋了滑行面P2的大部分，此時斷級的存在有效地減小了艇底的濕表面積。

圖4 空穴形態(tài)隨速度的變化

3.3 無斷級與有斷級倒V型槽道滑行艇性能比較

為了更好地探究本文設(shè)計的斷級結(jié)構(gòu)的減阻效果和減阻幅度，本文利用CFD技術(shù)，對無斷級倒V型槽道艇與有斷級倒V型槽道艇在相同的CFD計算方案下進行水動力性能計算，并對計算的結(jié)果進行了總結(jié)分析，得出驗證性結(jié)論。

3.3.1阻力和艇體姿態(tài)對比

通過圖5所示的阻升比(R/△)隨體積傅汝德數(shù)Fr▽曲線變化發(fā)現(xiàn)：當航速較低時，設(shè)有斷級的倒V型槽道滑行艇的阻力性能比較差；當滑行艇進入到滑行階段以后，斷級的減阻作用逐漸顯現(xiàn)，且隨著航速的增加，減阻的效果也愈加明顯。當Fr▽=3.14時減阻效果為6.0%，F(xiàn)r▽=4.49時減阻效果為6.2%，而當航速增加到Fr▽=5.83時減阻效果則達到了10.1%，即設(shè)有斷級的倒V型槽道滑行艇在中高速段的阻力曲線更加平緩。由此可以看到，本文提出的斷級結(jié)構(gòu)對倒V型槽道滑行艇來講具有明顯的減阻效果。

有斷級和無斷級倒V型槽道滑行艇在航行姿態(tài)上也有比較明顯的區(qū)別，兩者的縱傾角、吃水隨體積傅汝德數(shù)變化曲線分別如圖6、圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)有斷級的倒V型槽道艇的縱傾值及升沉值在全速度段內(nèi)均略大于無斷級滑行艇。這表明斷級的存在使得片體的排水體積減少，從而引起了艇體縱傾角和吃水都有不同程度的增加。

圖5 有無斷級阻升比對比曲線

圖6 有無斷級縱傾角對比曲線

圖7 有無斷級吃水對比曲線

3.3.2艇底壓力分布對比

圖8給出了兩者的艇底壓力分布云圖。從圖中可以看出，無斷級的滑行面壓力分布除在滑行面初次與水面接觸的區(qū)域出現(xiàn)了一個壓力峰值外，整體分布比較均勻； 而斷級滑行面在斷級之前的區(qū)域與無斷級滑行面的壓力分布幾乎相同，也在滑行面與水面初次接觸的區(qū)域出現(xiàn)了一個壓力峰值，但在斷級后兩者的壓力分布出現(xiàn)了顯著的差別，帶斷級的滑行面出現(xiàn)了一個低壓區(qū)域和一個高壓區(qū)域。低壓區(qū)域出現(xiàn)是由于斷級空穴的形成和槽道氣流的引入，高壓區(qū)域的形成是水流在越過斷級后再次打到滑行面上引起的。

為了進一步量化兩者艇底壓力分布的差別，本文取距中縱剖面0.2 m(0.25B)處的艇底壓力為代表，對比分析斷級對艇底壓力分布的影響，見圖9、圖10，其中橫軸表示距艉封板的距離，縱軸表示壓力的大小。

對于艇艏部由水流駐點形成的壓力集中區(qū)域，由于斷級的存在使得該處壓力峰值減小并且峰值位置也發(fā)生了小幅度的前移。對于艇底中后部的壓力分布，無斷級艇底壓力分布均勻、連續(xù)，而斷級使得倒V型艇底壓力分布出現(xiàn)了劇烈振蕩并呈現(xiàn)出不連續(xù)性，斷級后小范圍內(nèi)出現(xiàn)了負壓區(qū)域，之后壓力又迅速升至峰值，該峰值隨著航速的增加逐漸增大，峰值位置也逐漸后移；對于負壓區(qū)隨著航速的增加其負壓值快速降低且作用區(qū)域逐漸增大。相比于無斷級滑行艇，有斷級滑行艇艇底艉部的壓力峰值點壓力值更大，位置也更加靠近艇體艉部，這會對倒V型槽道艇的縱向航行穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖8 Fr▽=4.49時艇底壓力分布云圖

4 結(jié)語

本文首先提出了適合倒V型槽道滑行艇的斷級設(shè)置方案，解釋了該斷級方案的減阻機理，隨后通過CFD方法對比分析了有、無斷級的倒V型槽道滑行艇的水動力性能。計算結(jié)果表明：倒V型槽道滑行艇的艇底設(shè)置本文提出的斷級，能夠明顯改變艇底壓力分布，使艇底出現(xiàn)空穴，以減小艇體的濕表面積，在高速航行時能夠明顯降低艇體阻力(如：本文提出的斷級設(shè)計方案在Fr▽=5.83時，減阻效果為10%)，且對艇體的航行姿態(tài)影響較小。

圖9 不同速度下有斷級艇底壓力分布

圖10 不同速度下無斷級艇底壓力分布