氣力推進艇運行中水流場狀態(tài)及阻力模擬分析

陳 萌,趙小婷,儲江偉,李洪亮,吳勃生

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 哈爾濱 150040)

濕地具有的抵御洪水、調(diào)節(jié)氣候、促淤造陸等功能，是其他生態(tài)系統(tǒng)所不可替代的。因此，世界各國都十分強調(diào)對濕地的保護。但是，由于濕地特殊的地理環(huán)境，傳統(tǒng)的水上交通運載工具在此類區(qū)域的使用受到了一定限制，這給濕地的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護帶來了不便。與傳統(tǒng)的交通運載工具相比，氣力推進艇憑借著在沼澤、淺灘和濕地區(qū)域移動便捷、迅速等特點，已成為當今濕地交通的主要工具[1]。例如，在美國Florida的Gatorpark地區(qū)，加拿大巴倫斯( Brysons) 地區(qū)和大湖地區(qū)都有氣力推進艇的觀光項目[2]；在馬來西亞地區(qū)，氣力推進艇已用于沿海和河流生態(tài)環(huán)境的實地調(diào)查[3]。同時，相關(guān)的文獻也報道了氣力推進艇在冰雪情況下用于救援的特殊功用[4]。綜上所述可以看出，在國外氣力推進艇已用于濕地勘查、災(zāi)害救援以及觀光旅游等諸多方面，并體現(xiàn)出了其他交通運載工具不可比擬的特點。與國外相比，我國目前對相關(guān)產(chǎn)品的研究應(yīng)用還較少。

濕地是一種帶有靜止或低速流動水體的成片淺水區(qū)域[5]。在此種環(huán)境條件下，氣力推進艇在行駛過程中水的流場狀態(tài)及其艇體的受力狀態(tài)與其他在江河中行駛的船舶有差異[6]。為此，本文采用XFlow軟件，對氣力推進艇的運動狀態(tài)進行模擬分析，求解計算氣力推進艇在達到穩(wěn)態(tài)運動過程中艇體周圍的瞬態(tài)流場，評估在不同推進力作用下的運行阻力、加速性能和艇體所受靜態(tài)壓力等特性，為氣力推進艇的設(shè)計制造提供參考依據(jù)[7-8]。

1 氣力推進艇的動力平衡分析

1.1 氣力推進艇的基本組成

氣力推進艇由艇體、動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)(方向盤、轉(zhuǎn)向舵)、附屬裝置等組成。其中，動力系統(tǒng)由發(fā)動機、傳動機和螺旋槳等零部件組成，如圖1所示。

圖1 氣力推進艇的基本組成

氣力推進艇的動力系統(tǒng)是用發(fā)動機產(chǎn)生的原動力驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動，并由螺旋槳產(chǎn)生的推力克服艇體運動過程中的阻力使之運動前行，即構(gòu)成“機-槳-船”體系，且使原動力、推進力和運行阻力之間達到動力傳遞的平衡。本文所研制的樣機選用了4G63S4T 2.0L增壓汽油發(fā)動機，其額定功率為130 kW，最大輸出轉(zhuǎn)矩為253 N·m，設(shè)計運行速度為30 km/h，載質(zhì)量為130 kg，總質(zhì)量為530 kg。艇體采用鋁型材焊接，結(jié)構(gòu)尺度參數(shù)如表1所示。

表1 艇體結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 運動阻力分析

對推進艇航行中所受阻力進行分析和預(yù)測，是艇體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、推進系統(tǒng)設(shè)計和主機功率確定的參考依據(jù)。當氣力推進艇在水面上航行時，處于空氣和水2種流體介質(zhì)中，受到空氣和水對艇體阻力的作用，即艇體所受到的總阻力是空氣阻力和水阻力之和?？諝庾枇κ侵缚諝鈱νw水上部分的反作用力，水阻力是水對艇體水下部分在運動過程中產(chǎn)生的反作用力。

水阻力的總阻力可以分為摩擦阻力、興波阻力和黏壓阻力，其產(chǎn)生的主要原因是：

1) 摩擦阻力Rf。由于水的黏性作用在艇體表面形成很薄的邊界層，當艇體運動時帶動部分水的運動，且邊界層內(nèi)的速度梯度相對較大，艇體表面受到剪切應(yīng)力而造成運動阻力。

2) 興波阻力Rw。艇在靜水中航行時，隨著艇體的運動會在水面上產(chǎn)生波浪，航速越高，水面波浪的興起越明顯。波浪的產(chǎn)生影響著艇體表面的壓力分布，使艇首部和尾部產(chǎn)生壓力差而對艇體運動形成阻力。

3) 黏壓阻力Rpv。在航行過程中因水具有黏性而使艇尾處形成漩渦，產(chǎn)生漩渦處的壓力一般比較小，使艇首部和尾部形成壓力差而產(chǎn)生艇體運動阻力。

水阻力的總阻力Rt可表達為：

Rt=Rf+Rw+Rpv

(1)

式中：Rf為摩擦阻力(N)；Rw為興波阻力(N)；Rpv為黏壓阻力(N)。

由于黏壓阻力一般所占比例不大，且實際上難以與興波阻力分開，故通常把黏壓阻力與興波阻力合并在一起稱為剩余阻力Rr。因此，船體總水阻力Rt又可分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr兩部分。根據(jù)氣力推進艇的結(jié)構(gòu)特點，船的運動阻力主要是船體摩擦阻力、剩余阻力及空氣阻力。在艇體設(shè)計階段，可以利用艇體在流體中的仿真模擬分析估計運動阻力。

1.3 氣力推進艇動力平衡方程

以推進艇質(zhì)心為坐標系的原點o(x,y,z)，設(shè)浮力Ff作用點在浮心(與所排開液體體積的形心重合)，其坐標點為o1(x1,y1,z1)；螺旋槳推力T的作用點在氣力螺旋槳的軸心，其坐標點為o2(x2，y2，z2)；剩余阻力Rr的作用點在o3，其坐標點為o3(x3，y3，z3)；風阻力Fw的作用點在艇體水面以上部分的與縱向軸線垂直的橫截面中心點，其坐標點為o4(x4，y4，z4)；艇體的縱傾角為α，剩余阻力Rr與x軸的夾角為γ，如圖2所示。

圖2 氣力推進艇的受力分析

在x-y坐標系內(nèi)，沿x軸的氣力推進艇動力平衡方程為

Tcosα-(Fw+Rf+Rrcosγ)=ma

(2)

式中：m為總質(zhì)量(kg)；α為加速度(m/s2)。

1.4 船體總水阻力估算方法

船體總水阻力Rt又可分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr兩部分。為了從實驗求得實際氣力推進艇阻力，根據(jù)傅汝德假定：假定總阻力分為兩部分，一部分是只與雷諾數(shù)有關(guān)的摩擦阻力，另一部分則是與傅汝德數(shù)有關(guān)的剩余阻力：

(3)

式中：ρ為流體密度(kg/m3)；v為氣力推進艇運行速度(m/s)；S為艇體濕水表面積(m2)；Cf為摩擦阻力系數(shù)；Cr為剩余阻力系數(shù)。

摩擦阻力系數(shù)Cf可用相當平板摩擦阻力公式，在速度為對數(shù)分布時的桑海公式、柏蘭特-許立汀公式和休斯公式計算，但各公式的計算結(jié)果有一定的差距。對此，在第八屆國際船模試驗池會議(ITCC)對當時的各計算公式進行了整理和比較，最終提出了1957ITCC公式，其表達式為：

(3)

(4)

式中：Re為雷諾數(shù)；LW為水線長(m)；μ為流體運動黏性系數(shù)。

在船模與實船幾何相似的基礎(chǔ)上，剩余阻力系數(shù)Cr只與傅汝德數(shù)有關(guān)。本項目研制的氣力推進艇屬于河流水域用小型船舶，故體積較小，幾何形狀較為簡單。本文所建立的氣力推進艇模型與艇實體等比例，所以剩余阻力系數(shù)可按式(5)得到，而Rr直接由軟件求得：

(5)

2 氣力推進艇運動區(qū)域流場狀態(tài)模擬分析

2.1 運動區(qū)域流場理論

傳統(tǒng)的計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法是基于有限元法、有限差分和有限體積法進行空間離散的近似[9]，而且需要對模擬對象進行網(wǎng)格劃分，而劃分網(wǎng)格質(zhì)量對運算結(jié)果的準確性影響較大，對于復(fù)雜流場還需要進行局部網(wǎng)格的細分，這將耗費大量的人工時間及勞動量。本文所采用的XFlow模擬分析軟件基于格子玻爾茲曼方法(Lattice Boltzmann method，LBM)，在湍流模型上將精確的大渦模擬(LES)與格子玻爾茲曼方法(LBM)結(jié)合[10]，可以增強對復(fù)雜幾何模型和移動邊界問題的處理能力，模型無需過分簡化即可實現(xiàn)艇體模型符合剛體運動學(xué)的運動分析。

2.2 流體計算域選擇

本文在模擬計算過程中，考慮到計算量的影響，將艇體的模型進行了適當簡化，簡化后艇體的尺寸為長5 m、寬2 m、高0.5 m。在模擬仿真中計算域尺寸的加大會增加對計算機硬件要求，且計算時間更長。因此，在滿足模擬精度和兼顧盡量縮短仿真時間的同時，經(jīng)過多次測試確定最優(yōu)流體計算域尺寸設(shè)置(長200 m、寬10 m、高4 m、流體深2 m)。其簡化艇體模型及流體計算域如圖3所示。

圖3 艇體簡化模型及流體計算域

選取長度為200 m的流體計算域，可以足夠地滿足模擬仿真為20 s的時長。模擬初始點在艇體尾部距流體計算域后端20 m的位置，可以減小開始運行后尾流接觸壁面反作用于艇體的影響；艇體頭部距流體計算域前端175 m，使艇體有足夠長的運行距離而不至于沖出模擬流體域?？紤]到減少側(cè)面流體觸碰流體域邊界反作用于船體的影響，使流體計算域的寬度為10 m，是艇體寬度的5倍。

2.3 流場狀態(tài)模擬分析

在螺旋槳推力為600 N的條件下，氣力推進艇運動區(qū)域水流場狀態(tài)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

1) 流速場分布。氣力推進艇周圍的流速場分布不均勻，前后兩端的流速大于左右兩側(cè)；其流場中最大的水流速度為4.53 m/s，且位于船體尾部區(qū)域，如圖4(a)所示。

2) 壓力場分布。氣力推進艇艇體周圍的壓力分布不均勻，且最高的壓力分布在尾端的艇體底部，如圖4(b)所示。在與之相對應(yīng)的艇體前端，艇體與水流相對速度較小，對艇體的靜壓力較小。

3) 渦度場分布。速度穩(wěn)定后水流的渦度場如圖4(c)所示，艇體尾部區(qū)域水流旋轉(zhuǎn)最為劇烈，即渦度最強。此區(qū)域的湍流強度也最大，如圖4(d)所示。

圖4 氣力推進艇運動區(qū)域水流場狀態(tài)的數(shù)值模擬

3 氣力推進艇運動阻力模擬分析

3.1 運行速度及阻力模擬分析

目前，研究推進艇阻力的方法有理論研究方法、水池船模試驗方法和數(shù)值模擬計算方法3種。本文采用XFlow軟件模擬計算船體運行阻力，如圖5所示。

氣力推進艇運行速度變化過程如圖6所示，螺旋槳推力為600 N，當達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時所需時間約13 s，速度約為7.8 m/s。螺旋槳推力為300 N，當達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時所需時間約17 s，速度約為4.9 m/s。

圖5 氣力推進艇行駛阻力變化關(guān)系

圖6 氣力推進艇運行速度變化關(guān)系

3.2 運動阻力與運行速度的關(guān)系

根據(jù)使用XFlow數(shù)值模擬出的氣力推進挺運行速度和運動阻力模擬結(jié)果輸出，確定出在螺旋槳推力分別為300、600 N作用下的行駛阻力隨運動速度變化關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 行駛阻力隨運動速度的變化曲線

4 運動阻力試驗及與模擬結(jié)果的對比分析

4.1 運動阻力試驗方法

在模擬分析的基礎(chǔ)上，利用本研究項目研制的氣力推進艇進行恒推力下加速性能測試，試驗地點為松花江流域的潛水區(qū)域以模擬濕地生態(tài)區(qū)域。具體測試過程為：氣力推進艇在靜止水域中，從初速度v0=0開始，啟動發(fā)動機使其達到一定的轉(zhuǎn)速后，螺旋槳槳葉旋轉(zhuǎn)直到達到測試所需的300 N或600 N恒推力，進行相關(guān)阻力測試。從氣力推進艇在靜止水域到加速行駛的過程中，不考慮風阻影響，將式(2)簡化為：

T-Rt=mai

(6)

式中ai為i時刻的瞬時加速度。

同時，依據(jù)加速度、速度和時間的關(guān)系，即

ai=(vt-v0)/t

(7)

可得出推進艇加速過程中的水流阻力的表達式為

Rt=T-m(vt-v0)/t

(8)

式中：vt為末速度(m/s)；v0為初速度，這里指達到恒推力后的速度(m/s)；t為由v0加速到vt的時間(s)。

依據(jù)試驗測得的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與螺旋槳推力的關(guān)系如圖8所示?？刂瓢l(fā)動機以某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(4 600 r/min)運行，即保持螺旋槳推力(600 N)基本不變，記錄運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，測試情景見圖9所示。按照同樣的測試方法記錄螺旋槳推力為300 N時的運行數(shù)據(jù)，根據(jù)式(8)計算相應(yīng)的運行阻力。

圖8 螺旋槳靜態(tài)推力實驗數(shù)據(jù)

圖9 阻力測試場景

4.2 運動阻力測試與模擬結(jié)果對比

在螺旋槳推力為300 N 和600 N的運行條件下，氣力推進艇模擬與測試的行駛速度、運行阻力的對比結(jié)果，見表2。

表2 模擬值與實地測試值情況對比

螺旋槳推力分別為300 N和600 N的實地測試結(jié)果表明：當艇體達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時的速度及按公式計算的阻力值均小于模擬值，推力為600 N時的實際運行速度與目標運行速度存在一定的差距，主要是因為艇體在加速的過程中，隨著速度的逐漸增大，除水體施加在艇體的阻力增加外，與運行速度相關(guān)的空氣阻力所占比例也不斷增加，導(dǎo)致速度越高，速度差越大。

5 結(jié)論

1) 利用XFlow軟件分析了在最佳推力下的氣力推進艇周圍流體流場狀態(tài)，最大的水流速度和最大渦度出現(xiàn)于艇體穩(wěn)定運行后的尾流區(qū)域，且艇體的前端的水流速度相對較小，流體流動具有連續(xù)性。

2) 分析了推進艇在不同螺旋槳推力下的運行狀態(tài)。螺旋槳推力為300 N，氣力推進艇的穩(wěn)定運行狀態(tài)時的速度約為5.16 m/s；螺旋槳推力為600 N，氣力推進艇的穩(wěn)定運行狀態(tài)時的速度約為7.27 m/s，故運行阻力隨運行速度增加而變大。

3) 隨著推力的逐漸增大，推進艇達到運行穩(wěn)態(tài)的時間逐漸縮短，且平均穩(wěn)定運行速度逐步提高、滑行距離逐步縮短。