周景濤，曹鳳利，韓蘭懿，周 亮

（1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；2.武漢軍代局，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

由于兩棲車輛具有“水上快速而隱蔽、陸上機(jī)動(dòng)而靈活”等特點(diǎn)，在登陸作戰(zhàn)中發(fā)揮著無可替代的作用，而如何提高水上行駛速度和行駛穩(wěn)定性是兩棲車輛研究的重要內(nèi)容。其中，加裝防浪板能夠有效地減少阻力、穩(wěn)定航行姿態(tài)［1］，這一方法在兩棲車輛設(shè)計(jì)中被廣泛采用。通過模型靜水拖曳試驗(yàn)可以研究防浪板對(duì)阻力、功率和航行姿態(tài)的影響［2－3］，這種方法數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，但成本高、周期長(zhǎng)。近年來，CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件逐漸成為兩棲車輛學(xué)術(shù)研究和工程設(shè)計(jì)必不可少的工具，很多科研工作者對(duì)加裝防浪板的兩棲車輛繞流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬［4－5］，得出了防浪板對(duì)兩棲車輛水上性能參數(shù)的影響，為兩棲車輛的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了參考［6］，但均未涉及防浪板對(duì)航行姿態(tài)的影響。兩棲車輛在水中行駛時(shí)，隨著速度的變化，其航行姿態(tài)是不斷變化的，如何將VOF多相流模型有效地用于兩棲車輛航行姿態(tài)的性能研究分析，仍然有待進(jìn)一步研究。

總結(jié)并借鑒上述研究經(jīng)驗(yàn)，筆者采用滑移網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)了航行姿態(tài)的變化，對(duì)加裝防浪板前后的繞流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了間歇式防浪板對(duì)航行姿態(tài)和繞流場(chǎng)的影響。

1 模型建立

根據(jù)拖模試驗(yàn)的兩棲車輛的外形尺寸，采用Solidworks軟件建立了三維模型。模型的某些部件相切（例如履帶和負(fù)重輪相切）形成小角度區(qū)域，這種有小角度的流場(chǎng)區(qū)域很難生成網(wǎng)格，即便能夠生成網(wǎng)格，其網(wǎng)格質(zhì)量也非常差，在Fluent中進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)，模擬結(jié)果容易發(fā)散甚至無法進(jìn)行迭代計(jì)算，所以在不影響繞流場(chǎng)的前提下，對(duì)三維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。簡(jiǎn)化處理后的三維模型如圖1所示。

2 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型是一種兩方程模型，在N－S方程的基礎(chǔ)上，分別引入了關(guān)于湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε的方程，同時(shí)考慮了湍流脈動(dòng)速度的輸運(yùn)和湍流脈動(dòng)尺度的輸運(yùn)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用并經(jīng)受了大量的檢驗(yàn)，是目前使用最廣泛的湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型為

式中：Gk為湍動(dòng)能k的 產(chǎn) 生 項(xiàng)；Yk是 耗 散 項(xiàng)；c1ε、c2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；μt為湍流粘性系數(shù)；μ是分子粘性。

3 流場(chǎng)網(wǎng)格離散

假設(shè)兩棲車輛在靜水中行駛時(shí)，車體兩側(cè)受到的阻力完全相同，車體航行姿態(tài)在橫向上不產(chǎn)生變化，所以可以將兩棲車輛的航行姿態(tài)分解為吃水深和縱傾角的變化，吃水深指車體在豎直方向上的位移，縱傾角指車體在橫向上繞重心轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

流場(chǎng)劃分和離散如圖2所示，將繞流場(chǎng)劃分成3個(gè)區(qū)域。區(qū)域1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)車體縱傾角的變化。區(qū)域1和區(qū)域2 一起沿豎直方向上下移動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)車體吃水深的變化。通過調(diào)整3個(gè)區(qū)域間的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)車體航行姿態(tài)的變化。

區(qū)域1是車體周圍附近的區(qū)域，其流場(chǎng)幾何形狀極不規(guī)則，為了兼顧總體網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格數(shù)量，用一橢圓柱將區(qū)域1分成兩部分，一部分是車體附近區(qū)域，采用適應(yīng)性很強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（四面體網(wǎng)格）對(duì)流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行離散；另一部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散，提高網(wǎng)格的總體質(zhì)量和控制網(wǎng)格數(shù)量。車體幾何形狀變化劇烈的地方，流場(chǎng)的各個(gè)變量變化也較大，為了準(zhǔn)確的模擬出流場(chǎng)的變化情況，應(yīng)采用較精密的網(wǎng)格，并控制該區(qū)域網(wǎng)格的疏密程度，使車體附近的網(wǎng)格由密到疏向外擴(kuò)散。車體表面網(wǎng)格離散如圖3所示。

區(qū)域2是由區(qū)域1向區(qū)域3的過渡區(qū)域，目的是為了實(shí)現(xiàn)車體在豎直方向上的自由度。該區(qū)域采用棱柱形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散，并使用Size Function進(jìn)行疏密控制，以節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量，生成的網(wǎng)格質(zhì)量比較高。區(qū)域3的幾何形狀比較規(guī)則，距離車體相對(duì)較遠(yuǎn)，此處流場(chǎng)的各個(gè)變量的變化比較小，采用尺度比較大的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散，并通過控制線網(wǎng)格的疏密來控制整個(gè)區(qū)域的疏密。

3個(gè)區(qū)域的交界面采用相同網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以減少截?cái)嗾`差，從而減少模擬結(jié)果的誤差。自由面區(qū)域采用加密網(wǎng)格進(jìn)行離散，能夠較準(zhǔn)確的模擬出車體周圍的破波和航行波現(xiàn)象。

4 航行姿態(tài)確定

通過編寫UDF程序，監(jiān)測(cè)車體受到的浮力值和繞重心轉(zhuǎn)矩，浮力和繞重心轉(zhuǎn)矩根據(jù)下列公式求得：

式中：Q為浮力；Pi為車體表面第i個(gè)單元網(wǎng)格的壓強(qiáng)；A［1］i為車體表面第i個(gè)單元網(wǎng)格在x軸方向上的投影面積；A［2］i為車體表面第i個(gè)單元網(wǎng)格在y軸方向上的投影面積；M為繞重心轉(zhuǎn)矩；xi和yi為第i個(gè)單元網(wǎng)格坐標(biāo)。

當(dāng)模擬結(jié)果收斂時(shí)，鏈接UDF程序進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果不斷調(diào)整3個(gè)區(qū)域的相對(duì)位置，直至浮力等于重力，繞重心轉(zhuǎn)矩為0，此時(shí)，區(qū)域1豎直方向的位移就是吃水深，區(qū)域1轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就是縱傾角。

5 試驗(yàn)和模擬結(jié)果分析

5.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在拖曳水池中進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)車比例為1∶2，模型外形與實(shí)車基本一致，能夠反映出實(shí)車的物理外形，試驗(yàn)的研究重點(diǎn)是速度對(duì)航行姿態(tài)和阻力的影響。模型經(jīng)過配重、防水等必要處理，本次試驗(yàn)進(jìn)行了7種航速下的測(cè)量，每個(gè)速度點(diǎn)測(cè)量3次，取平均值。拖模試驗(yàn)過程如圖4所示。

5.2 總阻力結(jié)果分析

總阻力模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比曲線如圖5所示。

從圖5中可以看到，阻力的模擬值與試驗(yàn)值相差很小，曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)一致，但模擬值比試驗(yàn)值偏大，主要是由于網(wǎng)格尺寸偏大和未計(jì)算到最終收斂造成的。速度較低時(shí)，有防浪板的模擬值略大于無防浪板的模擬值，這是由于速度較低時(shí)，增加了防浪板后增大了車輛的濕水面積，由于速度較低，防浪板沒有起到壓浪、減少興波的作用。隨著速度的增大，防浪板對(duì)減少興波的作用越來越明顯，有效地起到了降低阻力的作用，有無防浪板的興波現(xiàn)象如圖6所示。

5.3 吃水深分析

吃水深的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比曲線如圖7所示。

從圖7中可以看出，模擬值和試驗(yàn)值相差很小，不超過5%，這主要是因?yàn)檐圀w受到的浮力主要和其水深位置有關(guān)，受網(wǎng)格尺寸的影響較小。增加防浪板后，車體的入水角減小，車體受到水流的豎直向上的作用力增大，隨著速度的增加，車體受到的豎直向上的作用力明顯越大；而且增加防浪板后，興波現(xiàn)象減小，濕水面積增大。車體受到的浮力增大，所以有防浪板車體的吃水深略小于無防浪板車體的吃水深。車體濕水面積如圖8所示。

5.4 縱傾角分析

縱傾角的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比曲線如圖9所示。

從圖9中可以看出，縱傾角的模擬值明顯大于試驗(yàn)值，這主要是由于自由面網(wǎng)格尺寸較大，造成模擬出的水面偏高，產(chǎn)生一個(gè)首傾的力矩；其次是由于縱傾角較小，測(cè)量值不準(zhǔn)確，導(dǎo)致縱傾角的模擬值要大于試驗(yàn)值。隨著速度的增加，防浪板的壓浪作用越來越明顯，有防浪板的車首的興波現(xiàn)象明顯小于無防浪板的車體，而且在車首產(chǎn)生漩渦，形成低壓區(qū)。車體產(chǎn)生的首傾現(xiàn)象也較小，產(chǎn)生的縱傾角也較小。車體縱剖面速度矢量圖如圖10所示。

6 結(jié)論

采用CFD 軟件對(duì)兩棲車輛的繞流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對(duì)浮力值等于重力值、繞重心的轉(zhuǎn)矩為零的平衡關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了車體航行姿態(tài)的變化，并分析了間歇式防浪板對(duì)總阻力、吃水深和縱傾角的影響，從結(jié)果看，在水上行駛速度較高時(shí)，間歇式防浪板在一定程度上能夠減少水上行駛的阻力、吃水深和縱傾角，對(duì)提高兩棲車輛水上行駛的穩(wěn)定性能夠起到一定的作用。

通過模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比分析，證明了筆者采用數(shù)值模擬方法對(duì)兩棲車輛繞流場(chǎng)進(jìn)行仿真研究是可行的，通過模擬結(jié)果還可以分析繞流場(chǎng)的壓力、速度、漩渦等情況，對(duì)于車體的參數(shù)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

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