蔡宇峰,王麗麗,汪 宇,徐永澤

(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)有限公司(上海),上海 200120)

水陸兩棲車輛是同時(shí)具有陸地車輛性能和水上船舶性能的一種特殊車輛,既可以在陸地上行駛,又可以泛水浮渡。水陸兩棲車輛具有船舶的特點(diǎn),但不具有船舶的局限[1-2]。目前針對(duì)水陸兩棲車輛水動(dòng)力性能的研究方法,基本上是參照船舶設(shè)計(jì)中的拖曳試驗(yàn)方法。該方法雖然可靠性強(qiáng),但是成本高、周期長(zhǎng)。隨著船舶計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展,使得采用數(shù)值計(jì)算方法研究?jī)蓷囕v的水動(dòng)力特性成為可能[3-7]。

兩棲車輛作為一種特殊船體,其水上性能與船舶有很大的相似性,因此參照船舶領(lǐng)域的研究方法是有必要的。20世紀(jì)70 年代以后,基于CFD的流場(chǎng)分析技術(shù)受到了船舶領(lǐng)域的高度重視。近年來(lái),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)進(jìn)行了數(shù)值模擬。高富東等[8]利用CFD研究車體首端和尾端切角并對(duì)車輛外形進(jìn)行優(yōu)化,減阻效果達(dá)到了51.2%。王濤等[9]基于CFD計(jì)算了典型的兩棲車輛迎浪直航運(yùn)動(dòng)。黃勁等[10]基于CFD將計(jì)算所得水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)與船舶經(jīng)驗(yàn)公式值進(jìn)行對(duì)比,分析了兩棲車輛與船舶的差異對(duì)水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)造成的影響。

本文通過(guò)對(duì)某型兩棲車輛實(shí)車和模型靜水三自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬,以及采用模型試驗(yàn)對(duì)仿真值進(jìn)行驗(yàn)證,分析了兩棲車輛實(shí)車與模型之間的水動(dòng)力性能換算關(guān)系?；贑FD理論建立了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、流體體積法及重疊網(wǎng)格對(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。模型試驗(yàn)在中國(guó)特種飛行器研究所高速水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的拖曳水池進(jìn)行。

1 實(shí)車及模型的仿真模擬

1.1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象是水陸兩棲車輛的實(shí)車及模型,研究對(duì)象參數(shù)如表1所示。研究過(guò)程中車輛沒(méi)有履帶,只有車輪。

表1 兩棲車輛參數(shù)Tab.1 Parameters of amphibious vehicle

1.2 數(shù)值水池及數(shù)值處理方法

在進(jìn)行仿真模擬時(shí),先將姿態(tài)角抬高5°,實(shí)車自由液面降低0.2 m,這樣調(diào)整可以使計(jì)算狀態(tài)提前穩(wěn)定。車體運(yùn)動(dòng)求解采用DFBI (dynamic fluid body interaction)剛體運(yùn)動(dòng)模型。該模型將車體視為空間中的六自由度運(yùn)動(dòng)剛體,在流體壓力、摩擦力、重力及其他外力的作用下發(fā)生平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)。 在求解過(guò)程中,主要關(guān)注重心的移動(dòng)及繞重心的縱傾角度。

按照相似理論,來(lái)流方向兩棲車輛不動(dòng),流體在入口以固定速度流入。入口距離車身首部1L(L為車體長(zhǎng)度),該入口為速度入口,水線上方為氣相入口,水線下方為液相入口;出口距離車身尾部3L,該出口為壓力出口,壓力隨水深變化而變化。上邊界、下邊界距離車身均為1.25L,設(shè)置為速度入口。側(cè)邊距離車身1.5L,設(shè)置為對(duì)稱邊界。由于靜水航行流場(chǎng)關(guān)于中縱剖面對(duì)稱,因此僅對(duì)流域一半進(jìn)行網(wǎng)格離散,中縱剖面設(shè)置為對(duì)稱邊界。計(jì)算時(shí)先采用整體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格,在計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)車身姿態(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,從而導(dǎo)致計(jì)算精度大幅降低。針對(duì)此問(wèn)題,采用重疊網(wǎng)格,從而保證了模型在大角度姿態(tài)時(shí)自由液面的加密區(qū)網(wǎng)格不發(fā)生移動(dòng)。采用流體體積法捕捉自由液面,該方法可以處理空氣和流體具有交界面的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)等問(wèn)題。

1.3 數(shù)值結(jié)果及流場(chǎng)分析

表2分別給出了實(shí)車及模型的仿真計(jì)算結(jié)果,縮尺比為2.5。表2中,實(shí)車仿真值記為A;根據(jù)弗勞德數(shù)相似的換算方法,把A換算成模型仿真值,記為B;模型仿真值記為D。速度、阻力、實(shí)際姿態(tài)、升沉的換算比例分別為λ0.5、λ3、1、λ,λ表示實(shí)車與模型間的升沉比例關(guān)系。從表2可以看出,B與D兩者存在誤差,但是差值不大,進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)車與模型之間在一定程度上可以采用船舶的弗勞德數(shù)相似的換算方法;計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格的精細(xì)程度及計(jì)算步長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致B與D之間存在誤差。

表2 實(shí)車仿真值及模型仿真值Tab.2 Numerical results of all scale car and model

如圖1～3所示,車體尾部后方水面下降,車輛陷入由自身運(yùn)動(dòng)而形成的盆狀空間內(nèi),整體車輛尚未因滑行而完全托出水面。水陸兩棲車輛設(shè)計(jì)需要考慮車輛的陸地行駛性能,因此車體曲度變化較突然。在兩棲車輛車體曲度驟變處,特別是車體的尾部常會(huì)產(chǎn)生漩渦,越靠近漩渦中心壓力越低,從而形成吸力,此吸力阻礙了兩棲車輛的前進(jìn)。水陸兩棲車輛在水上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)掀起波浪,由于波浪的產(chǎn)生,改變了船體表面的壓力分布情況。車首的波峰使首部的壓力增加,而車尾的波谷使尾部壓力降低,于是產(chǎn)生首尾流體動(dòng)壓力差,進(jìn)而形成阻力,壓差阻力占兩棲車輛總阻力的絕大部分。

圖1 實(shí)車自由液面Fig.1 Free surface of all scale car

圖2 實(shí)車對(duì)稱面Fig.2 Symmetry plane of all scale car

圖3 實(shí)車正壓Fig.3 Positive pressure of all scale car

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)主要設(shè)備及模型安裝

模型在605所拖曳試驗(yàn)水池進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)水池及拖車等水動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)如下所示:

(1)水池主尺度。池長(zhǎng)510 m,池寬6.5 m,池深6.8 m,水深5.0 m。

(2)拖車性能。速度范圍0.1～22.0 m·s-1,車速穩(wěn)定精度優(yōu)于0.2%。

(3)測(cè)試手段。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理分析自動(dòng)化。

進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí),水池寬度不會(huì)引起阻塞效應(yīng)。如圖4所示,模型試驗(yàn)過(guò)程中,低速時(shí)模型首部上浪嚴(yán)重,因此在首部添加了擋板。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果,對(duì)仿真計(jì)算的水陸兩棲車輛模型進(jìn)行了水動(dòng)力性能試驗(yàn)。表3為兩棲車輛模型的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 模型試驗(yàn)Fig.4 Model test

表3 模型試驗(yàn)值Tab.3 Experiment results of model

圖5～6給出了車輛模型的水動(dòng)力性能試驗(yàn)結(jié)果與速度的變化關(guān)系。隨著速度增加,先埋首,后抬頭,阻力值逐漸增加,2.67 m·s-1左右阻力趨向于一個(gè)峰值,這與船舶的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象類似。

圖5 阻力變化曲線Fig.5 Curve of drag with time

圖6 實(shí)際姿態(tài)變化曲線Fig.6 Curve of heave with time

圖7為兩棲車輛模型試驗(yàn)的高速流場(chǎng)。從圖7可以看出,由于車首為鈍形,因此水線進(jìn)水角較大。在車體首部還有大量的被車體掀起后很快就破碎的波浪,這種波浪稱為破波。尾部呈現(xiàn)一波谷,此現(xiàn)象具有與船舶類似的特點(diǎn),同時(shí)由于前車輪兩側(cè)壓強(qiáng)較高,在該處形成較大的波峰。

3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析

表4給出了速度為2.93 m·s-1時(shí)模型的仿真值與試驗(yàn)值,雖然兩者存在一定的誤差,但是該精度在進(jìn)行兩棲車輛選型及水動(dòng)力性能仿真分析時(shí)也在可接受的范圍內(nèi)。結(jié)果表明:采用重疊網(wǎng)格可以較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)兩棲車輛的水動(dòng)力性能及求解三維流固耦合問(wèn)題,運(yùn)用數(shù)值方法分析兩棲車輛的水動(dòng)力特性是兩棲車輛有效的研究方法。

圖7 高速流場(chǎng)Fig.7 Flow field of high speed

表4 模型仿真值及模型試驗(yàn)值Tab.4 Numerical and experimental results of model

表5給出了實(shí)車仿真值與模型試驗(yàn)值以及按比例換算得到的模型仿真值與模型試驗(yàn)值之間的關(guān)系。表5中按船舶換算比例得到的模型仿真值與試驗(yàn)值之間雖然存在一定的誤差,但是也進(jìn)一步驗(yàn)證了水陸兩棲車輛的實(shí)車與模型之間的水動(dòng)力性能換算在一定程度上可以采用船舶的弗勞德數(shù)相似的換算方法。綜合比較表4與表5,可以得出試驗(yàn)值與仿真值在模型尺寸一致時(shí),仿真值的精度更高。

圖8～9顯示了速度為2.93 m·s-1時(shí)兩棲車輛模型周圍的仿真與試驗(yàn)流場(chǎng),仿真與試驗(yàn)結(jié)果在車體周圍波形分布情況基本相同。仿真過(guò)程很好地捕捉了車體尾部的興波,數(shù)值黏性的影響會(huì)使遠(yuǎn)車體的興波有所衰減。鑒于此現(xiàn)象在車體尾部的開(kāi)爾文區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。

表5實(shí)車仿真值及模型試驗(yàn)值
Tab.5Numericalresultsofallscalecarandexperimentalresultsofmodel

參數(shù)實(shí)車仿真值A(chǔ)由A按船舶比例換算到的模型仿真值B模型試驗(yàn)值CB與C的誤差/%速度/(m·s-1)4.632.932.930阻力/N8.48×103542.53484.9011.9實(shí)際姿態(tài)/(°)6.276.277.55-17.0升沉/mm134.6753.8748.4611.1

圖8 模型仿真流場(chǎng)(2.93 m·s-1)Fig.8 Numerical flow field of model(2.93 m·s-1)

圖9 模型試驗(yàn)流場(chǎng)(2.93 m·s-1)Fig.9 Test flow field of model(2.93 m·s-1)

4 結(jié)論

本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)自由液面的兩棲車輛黏性繞流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬并對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,得到以下結(jié)論:

(1) 采用重疊網(wǎng)格可以有效地完成水陸兩棲車輛水上滑行的仿真工作,驗(yàn)證了重疊網(wǎng)格及流體體積法對(duì)求解三維流固耦合問(wèn)題的有效性。

(2) 本文計(jì)算方法可以用來(lái)預(yù)測(cè)兩棲車輛水面滑行狀態(tài)下的水動(dòng)力性能,并且指導(dǎo)試驗(yàn)方向,減少試驗(yàn)的盲目性和隨機(jī)性,為水陸兩棲車輛減阻及其設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的技術(shù)支持。

(3) 從模型試驗(yàn)值、模型仿真值及實(shí)車仿真值三者之間的關(guān)系,可以進(jìn)一步驗(yàn)證水陸兩棲車輛模型與實(shí)車水動(dòng)力性能換算在一定程度上可以采用船舶的弗勞德數(shù)相似的換算方法。