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(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510640)

游艇阻力估算多數(shù)是通過統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有的游艇資料獲得的經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)圖譜，或者使用基于細(xì)長體理論[1-2]的Maxsurf軟件[3]來完成游艇阻力預(yù)報(bào)。相比船模試驗(yàn)，這些方法的計(jì)算效率更高。但不足之處在于不同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相差較大，準(zhǔn)確性不定。不同類型的游艇所選用的阻力估算方法有所不同[4]。此前在船模試驗(yàn)及理論方法分析中，大多選擇體積弗汝德數(shù)在0.6～2.8之間的過渡型艇及排水型艇置于同一組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試。這里將過渡型游艇和排水型游艇的阻力估算方法歸為一類，稱為半滑行艇的阻力估算法。對(duì)于半滑行艇阻力的初步估算方法主要有大隅三彥中低速度域制動(dòng)馬力圖譜估算法、NPL船體阻力估算方法、Omega游艇阻力估算方法和經(jīng)驗(yàn)公式法；對(duì)滑行艇阻力初步估算的方法主要有平板滑行理論阻力預(yù)估法、大隅三彥經(jīng)驗(yàn)圖譜法(小型動(dòng)力艇)、大隅三彥經(jīng)驗(yàn)公式估算法及Angeli阻力估算方法[5]。目前常用的數(shù)值模擬方法主要有FULENT、XFlow及Maxsurf等軟件分析法。對(duì)游艇阻力數(shù)值計(jì)算，大多選擇FLUENT，但在模型網(wǎng)格的劃分和自由液面的捕捉方面存在不足。而XFlow軟件計(jì)算游艇阻力效率較高，對(duì)模型的要求比較低，并且相對(duì)容易處理自由液面[6]。因此,考慮選擇XFlow和Maxsurf軟件，分別對(duì)半滑行艇和滑行艇的阻力進(jìn)行數(shù)值模擬。

針對(duì)單體游艇，選擇2艘不同類型的游艇，分別計(jì)算游艇阻力。對(duì)結(jié)果進(jìn)行定量比較分析，從而確定出估算不同類型游艇的阻力比較準(zhǔn)確的方法。

1 游艇模型簡介

選取的游艇動(dòng)力艇的主尺度見表1。

表1 游艇模型的主尺度

2艘游艇數(shù)值模擬流體模型見圖1。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 自由液面速度場的模擬與分析

通過XFlow軟件分別對(duì)半滑行艇及滑行艇自由液面速度場的變化進(jìn)行數(shù)值模擬，半滑行艇在體積弗汝德數(shù)分別為1.3和3.1的工況下自由液面速度場的變化見圖2、3。

由圖2可見，當(dāng)t=1 s時(shí)，自由液面速度較小，隨著時(shí)間的增加自由液面速度分布變化越來越明顯；當(dāng)t=30 s時(shí)，在舷側(cè)和艉部產(chǎn)生大量速度場，自由液面速度分布逐漸擴(kuò)散到整個(gè)計(jì)算區(qū)域。在30 s以后，液面變化不大，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在整個(gè)計(jì)算周期內(nèi)自由液面速度場的分布關(guān)于半滑行艇的中縱剖面完全對(duì)稱。

由圖3可見，當(dāng)t=1 s時(shí)，自由液面的速度較小，隨著時(shí)間的延續(xù)自由液面速度分布范圍逐漸擴(kuò)大；當(dāng)t=30 s時(shí)，在舷側(cè)和艉部產(chǎn)生大量速度場，自由液面速度分布逐漸擴(kuò)散到整個(gè)計(jì)算區(qū)域。在30 s以后，速度場變化不大，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，并且在整個(gè)計(jì)算時(shí)間內(nèi)速度場沿著滑行艇的中縱剖面對(duì)稱分布。

對(duì)比圖2和圖3關(guān)于半滑行艇和滑行艇的速度場的變化可知，任意時(shí)刻速度場的分布在游艇的左右舷都是相同的。當(dāng)時(shí)間在由0 s逐漸增加到30 s，自由液面速度分布逐漸擴(kuò)散到整個(gè)計(jì)算域，30 s以后速度場的變化趨于穩(wěn)定。游艇在自由液面的速度場隨時(shí)間的變化比較接近在實(shí)際工況下流場的分布。

2.2 自由液面渦流場的模擬與分析

運(yùn)用XFlow軟件對(duì)半滑行艇及滑行艇自由液面渦流場的變化進(jìn)行數(shù)值模擬，在體積弗汝德數(shù)分別為1.3和3.1時(shí)，半滑行艇渦流場變化見圖4、5。

由圖4可見，當(dāng)t=1 s時(shí)，在半滑行艇2側(cè)以及艏部產(chǎn)生較小的漩渦，在游艇艉部產(chǎn)生的渦量較大；隨著時(shí)間增加，渦量分布范圍增大直到覆蓋到游艇艉部的計(jì)算域。當(dāng)t=30 s時(shí)，自由液面渦流場的分布趨于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

從圖5可見，當(dāng)t=1 s時(shí)，在游艇2側(cè)以及艏部產(chǎn)生較小的漩渦，在游艇艉部產(chǎn)生的渦量較大；當(dāng)t=30 s時(shí)，游艇艉部產(chǎn)生渦量的區(qū)域變大，隨著時(shí)間增加，計(jì)算域里的渦量分布范圍增大，直至覆蓋整個(gè)區(qū)域，此后渦量分布趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)比圖4和圖5，任意時(shí)刻渦流在游艇的左右舷的分布都是相同的。當(dāng)時(shí)間由0逐漸增大到30 s，自由液面渦流場分布逐漸擴(kuò)散到整個(gè)計(jì)算域，30 s以后渦流的變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 游艇在自由液面的波形的模擬與分析

通過Maxsurf軟件分別對(duì)半滑行和滑行艇的自由液面波形的變化進(jìn)行模擬，見圖6。

由圖6可見，游艇在自由液面的波形沿游艇中縱剖面對(duì)稱分布，波形的變化主要發(fā)生在游艇艉部，波峰波谷變化明顯，逐漸散開向遠(yuǎn)處傳播；半滑行艇及滑行艇波形對(duì)比表明，滑行艇在自由液面的波形變化更加明顯，滑行艇在游艇艉部波峰波谷的分布比半滑行艇更密集；游艇在自由液面的波形圖符合實(shí)艇在靜水中航行時(shí)波形的變化。

2.4 阻力數(shù)值模擬與分析

2.4.1 半滑行艇阻力的數(shù)值模擬與分析

運(yùn)用XFlow軟件及Maxsurf軟件分別對(duì)半滑行艇在體積弗汝德數(shù)為0.8、1.3、1.8、2.3及2.8的工況進(jìn)行模擬分析，并將數(shù)值模擬結(jié)果與圖譜法及經(jīng)驗(yàn)公式方法估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖7。

由圖7可見，大隅三彥制動(dòng)馬力圖譜法和XFlow軟件得出的阻力值在同一種工況下相對(duì)比較接近，阻力曲線趨勢相同，都是先下降后上升，符合半滑行艇在實(shí)際航行工況下的阻力隨體積弗汝德數(shù)的變化趨勢。Maxsurf軟件計(jì)算的結(jié)果在體積弗汝德數(shù)較小的時(shí)候與XFlow軟件得出的結(jié)果相差較大，但是隨著體積弗汝德數(shù)增加這2種方法計(jì)算的阻力越接近。NPL阻力估算法與Maxsurf軟件計(jì)算的阻力曲線趨勢相同，都是隨體積弗汝德數(shù)增加持續(xù)上升，但兩者計(jì)算得出的結(jié)果相差較大。而Omega估算法得到阻力曲線的變化趨勢是先上升后下降，這與實(shí)際半滑行艇的阻力隨弗汝德數(shù)的變化趨勢不相符。

從定性上分析， Maxsurf軟件得出的阻力隨體積弗汝德數(shù)的增加而增大；從定量上分析，當(dāng)體積弗汝德數(shù)大于1.3以后，計(jì)算結(jié)果與XFlow軟件和大隅三彥圖譜計(jì)算的結(jié)果比較接近；但當(dāng)體積弗汝德數(shù)較小時(shí)，Maxsurf軟件計(jì)算結(jié)果存在一定誤差。由于XFlow軟件計(jì)算游艇的阻力時(shí)所考慮的因素相比大隅三彥圖譜來說，在理論上更加全面，因此其最終結(jié)果在后期高速時(shí)相對(duì)大隅三彥計(jì)算阻力的結(jié)果數(shù)值偏高，但總體符合半滑行艇阻力隨體積弗汝德數(shù)變化的實(shí)際趨勢。

2.4.2 滑行艇阻力的數(shù)值模擬與分析

運(yùn)用XFlow軟件及Maxsurf軟件分別對(duì)滑行艇在體積弗汝德數(shù)為3.1～4.0(間隔0.1)時(shí)進(jìn)行模擬分析，并將數(shù)值模擬結(jié)果與圖譜法及經(jīng)驗(yàn)公式方法估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖8。

從圖8可以看出，幾種方法計(jì)算滑行艇阻力的結(jié)果都不相同。XFlow軟件和Maxsurf軟件計(jì)算的結(jié)果比較接近，均大于大隅三彥經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)圖譜結(jié)果。這4條曲線走勢相同均是隨體積弗汝德數(shù)增加而上升。平板滑行理論得出的阻力曲線隨體積弗汝德數(shù)增大而下降，Angeli經(jīng)驗(yàn)公式得出的阻力隨弗汝德數(shù)的增加幾乎趨近于一個(gè)常數(shù)，這2種方法得出的阻力均與實(shí)際滑行艇阻力隨弗汝德數(shù)的變化趨勢不相符。

定量分析，Maxsurf和XFlow軟件得出的阻力結(jié)果比較接近且均大于大隅三彥經(jīng)驗(yàn)公式和圖譜計(jì)算結(jié)果，隨著體積弗汝德數(shù)增加，軟件與經(jīng)驗(yàn)公式得到的阻力相差越大。這是因?yàn)殡S著航速的增加，游艇艇底開始抬出水面，艇本身的重力主要由游艇的升力來提供，隨著航行縱傾角的增大，游艇本身受到的興波阻力也會(huì)增加，總阻力會(huì)隨著航速的增加而不斷增加。

3 結(jié)論

1)對(duì)于半滑行艇的阻力預(yù)報(bào)，大隅三彥圖譜法和XFlow軟件得出的結(jié)果比較接近，當(dāng)體積弗汝德數(shù)大于1.3以后，運(yùn)用Maxsurf軟件估算半滑行艇阻力得到的結(jié)果與XFlow計(jì)算結(jié)果相符合；估算滑行艇的阻力，大隅三彥經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與數(shù)值方法比較接近，可以對(duì)滑行艇阻力進(jìn)行初步估算。

2)數(shù)值模擬時(shí)，游艇在自由液面速度場、渦流場和波形圖的分布關(guān)于游艇中縱剖面對(duì)稱，且隨時(shí)間的增加趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這也與游艇在實(shí)際工況下航行時(shí)液面的速度場、渦流場和波形的變化一致。

3)在以后的研究中，可以通過考慮船模試驗(yàn)分別計(jì)算66 ft半滑行艇和25 ft滑行艇在不同弗汝德數(shù)工況下的阻力，并與本文數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，更進(jìn)一步驗(yàn)證XFlow軟件預(yù)報(bào)游艇阻力的準(zhǔn)確性，確定誤差范圍。同時(shí)，NPL阻力估算法、Omega估算法、平板滑行理論和Angeli經(jīng)驗(yàn)公式這4種方法估算游艇阻力的結(jié)果也需要進(jìn)一步與船模試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證其可靠性。