1.集美大學輪機工程學院 2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室朱兆一林少芬支文崢陳清林蔡應強

壓浪板對波浪中游艇航行的影響

1.集美大學輪機工程學院 2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室朱兆一1，2林少芬1，2支文崢1，2陳清林1，2蔡應強1，2

通過建立數(shù)值拖曳水池，采用數(shù)值造波技術(shù)對游艇的迎浪航行進行仿真，并通過對裸艇體和帶壓浪板艇體在波浪中航行受力與運動的對比，研究安裝壓浪板對游艇的阻力、垂蕩、縱搖的周期和幅度等方面的影響。

游艇 數(shù)值水池 壓浪板 波浪

0 引言

近年來，作為一種水上娛樂高級耐用消費品，游艇得到了迅速發(fā)展，人們對其快速性、舒適性等指標要求日趨嚴格[1]。游艇在波浪中航行時，激烈的縱搖將會造成螺旋槳露出水面發(fā)生飛車現(xiàn)象，并且“海豚運動”造成的艇底抨擊容易產(chǎn)生材料疲勞破壞而致結(jié)構(gòu)失效，導致機械和儀表失靈甚至艇毀人亡的事故[2]。壓浪板具有調(diào)節(jié)艇航行縱搖、改善航行阻力的作用，目前無論是采用水池試驗還是理論推導，主要是研究靜水中壓浪板對艇性能的影響，針對于波浪載荷下壓浪板的作用效果研究還十分少見[3-5]。本文借助數(shù)值水池技術(shù)，研究壓浪板的作用角度對游艇阻力、垂蕩和縱搖周期、幅度等方面的影響。

1 數(shù)值造波技術(shù)

邊界造波是數(shù)值水池試驗中常用的造波技術(shù)，其方法是直接控制計算域的一部分邊界（通常為入口邊界）作為擾動源，在邊界上布設(shè)波升和速度擾動量生成波浪。在有限水深中，入射波的速度勢?在固定坐標系下可表示為[6]：

其中，C0為系數(shù)，計算公式如下：

式中，ξ表示波幅，m；k表示波數(shù)；H表示水深，m；ω0表示波的自然頻率，s-1。波面方程為：

式中，η為自由面在平均水面以上的垂直距離，m。

2 波浪數(shù)值水池的建立

本文研究的對象為一艘國內(nèi)自主設(shè)計、制造的75尺游艇的水池試驗模型，艇模的航速范圍取為1.602～5.127m/s。本文采用STAR CCM+為CFD求解軟件，用于計算域的設(shè)置、網(wǎng)格劃分、計算求解及后處理等工作，并采用了DFBI運動模型和重疊網(wǎng)格技術(shù)，釋放游艇垂向位移、橫向轉(zhuǎn)動自由度，以實現(xiàn)游艇航行姿態(tài)的自動調(diào)整[7-8]。采取切割六面體網(wǎng)格進行計算域內(nèi)的網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格數(shù)約為290萬，拖曳數(shù)值水池的計算域及邊界條件見圖1。

圖1 計算域及邊界條件示意圖

數(shù)值波浪水池是在數(shù)值拖曳水池的基礎(chǔ)上，通過邊界造波技術(shù)制造VOF規(guī)則深水波，根據(jù)本游艇的建造級別，最大波高設(shè)置為0.194m，相當于實際波高為2m；波長為1.828m，等于游艇設(shè)計水線長；來流速度為4.165m/s，對應該艇的設(shè)計最高航速，建立好的波浪數(shù)值水池在初始時刻的水汽分布如圖2所示。

圖2 數(shù)值波浪水池初始時刻水汽分布

3 游艇迎浪航行的數(shù)值模擬

在數(shù)值波浪水池中，游艇的阻力、縱傾、重心垂向位移隨時間的變化情況分別見圖3、圖4、圖5，游艇在波浪中的運動姿態(tài)及繞流情況如圖6所示。當計算物理時間超過1s后，游艇的航行阻力和縱傾均呈周期性變化趨勢，變化周期約為0.307s，阻力波峰領(lǐng)先垂向位移波峰0.30個周期，領(lǐng)先縱傾波峰0.48個周期。航行阻力的峰值約為376N（圖中顯示阻力結(jié)果為整船阻力值的一半），一個周期內(nèi)的阻力平均值約為97N，與在靜水中航行時相比，阻力增加了35%。游艇的最大縱傾為6.2°，最小縱傾為2.5°，縱搖幅度為3.7°。航行中重心位置的升沉變化幅度約為0.023m。

圖3 數(shù)值模擬計算阻力結(jié)果

圖4 數(shù)值模擬計算縱傾結(jié)果

圖5 數(shù)值模擬計算重心垂向位移結(jié)果

圖6 數(shù)值波浪水池中的游艇

4 帶壓浪板游艇迎浪航行的數(shù)值模擬及分析

本文分別模擬了裸體艇、帶0°壓浪板、帶10°壓浪板和帶20°壓浪板的游艇在浪高為0.194m的數(shù)值波浪水池中航行時歷經(jīng)一個周期的情況。

4.1 壓浪板對波浪中航行游艇阻力的影響

安裝壓浪板后，游艇的阻力峰值大小變化不大，始終在180N到200N之間，壓浪板安裝角度為0°、10°和20°時，航行阻力的平均值分別為96N、101N和114N，當安裝角度為0°時，平均阻力減小1%，而當安裝角度為10°和20°時，平均阻力增加4.1%和17.5%，然而這種周期性運動反而避免了艇體長時間處于艏傾狀態(tài)，從而降低了“埋首”現(xiàn)象對阻力性能的不良影響。圖7為裸艇體阻力變化，圖8為當壓浪板角度為10°時游艇阻力的變化。

圖7 裸艇體阻力變化

圖8 帶壓浪板游艇阻力變化 (α=10°)

4.2 壓浪板對波浪中航行游艇姿態(tài)的影響

安裝壓浪板后，壓浪板安裝角度為0°、10°和20°時，游艇航行時的最大縱傾角分別為5.7°、3.4°和1.4°，縱搖幅度分別為3.5°、3.1°和2.8°，航行最大縱傾角度較裸艇體情況分別降低了9.5%、46.0%和77.8%，縱搖幅度較裸艇體情況分別降低了5.4%、16.2%和24.3%。圖9為裸艇體縱傾變化，圖10為當壓浪板角度為10°時游艇縱傾的變化。

圖9 裸艇體縱傾

圖10 帶壓浪板游艇縱傾變化 (α=10°)

安裝壓浪板后，壓浪板安裝角度分別為0°、10°和20°時，游艇在波浪中垂蕩運動在重心位置的幅值分別為0.023m、0.019m和0.02m。與裸艇體相比，幅值分別降低了0%，17.4%和13.0%。安裝壓浪板后，當壓浪板安裝角度分別為0°、10°和20°時，游艇重心位置向上的加速度最大值分別為13.0m/s2、9m/s2和6.3m/s2，相對于裸艇體情況分別下降了3.7%、33.3%和53.3%；游艇重心位置垂向向下的加速度最大值分別為6.0 m/s2、4.0 m/s2和3.1 m/s2，相對于裸艇體情況，分別減小了6.3%、37.5%和51.6%。

圖11 裸艇體重心位移變化

圖12 帶壓浪板游艇重心位移變化 (α=10°)

4.3 壓浪板的減搖效果與波長的關(guān)系

減小縱搖幅度是壓浪板對游艇在波浪中姿態(tài)調(diào)整作用的重要方面，為便于進一步研究在不同海況下，壓浪板的減搖效果，本文分別對不同波長下游艇安裝壓浪板前后在波浪中的運動進行了模擬，波長范圍為0.5L～2.5L（L為艇體設(shè)計水線長）。計算所得壓浪板的減搖效果曲線如圖13所示。由圖可以看出，當波長小于艇長的一半時，壓浪板無明顯減搖效果，而當波長接近艇長的2倍時，壓浪板的減搖效果最明顯，約能使縱搖幅度降低20%。

圖13 壓浪板減搖效果隨波長變化曲線

5 結(jié)論

本文以實艇模型為例，進行了游艇在波浪中航行的數(shù)值仿真，主要分析安裝壓浪板前后游艇的阻力、縱搖、垂蕩運動的變化。結(jié)果表明，當游艇迎浪航行時，安裝壓浪板對游艇航行的縱搖、垂蕩運動有降低其幅值的作用，并能降低垂蕩過程中艇體的垂向加速度，但同時會增加游艇航行的阻力。壓浪板的減搖效果與波長有關(guān)，當波長接近艇長的2倍時，減搖效果最佳，可降低20%的縱搖。

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