姬朋輝，袁 帥，魏 鵬，鄒 勁

(1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

倒V型槽道滑行艇充分吸收了雙體滑行艇艇型結(jié)構(gòu)簡單和三體滑行艇水動(dòng)力性能優(yōu)異的特點(diǎn)，其兩個(gè)片體的滑行面為內(nèi)傾式、槽道橫剖面形狀為橢圓形。該艇具有航行阻力小、可見興波小、波浪砰擊小、縱向穩(wěn)定性好以及良好的操縱性、寬敞的甲板面積等優(yōu)點(diǎn)。

斷級(jí)又稱作斷階，是高速快艇常用的提高滑行效率、降低阻力的措施，其通常設(shè)置在艇底的中后部，使此處底部滑行面出現(xiàn)不連續(xù)的階梯形狀。與單體斷級(jí)滑行艇不同的是，倒V型槽道艇因?yàn)閮?nèi)傾式滑行面和特殊槽道結(jié)構(gòu)，并且槽道和滑行面又直接參與艇體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制，而艇體姿態(tài)又直接影響到斷級(jí)的水動(dòng)力性能和作用效果，因此對(duì)于倒V型滑行艇而言，斷級(jí)的設(shè)置、作用機(jī)理以及是否能夠起到減阻效果都需要討論分析。

本文根據(jù)斷級(jí)減阻的工作原理,創(chuàng)造性地提出了適合倒V型槽道滑行艇艇型特點(diǎn)的斷級(jí)形式,并利用CFD技術(shù)驗(yàn)證了斷級(jí)減阻的有效性。

1 倒V型槽道滑行艇艇型特點(diǎn)

倒V型槽道滑行艇屬于雙體滑行艇，具有雙體滑行艇的典型特征：中間槽道和兩個(gè)側(cè)片體結(jié)構(gòu)，見圖1。但其外形結(jié)構(gòu)又具有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：

(1)內(nèi)傾式滑行面的側(cè)片體。該艇的主體結(jié)構(gòu)為兩個(gè)大小相同的側(cè)片體。內(nèi)側(cè)為艇底滑行面，滑行面剖面形式呈倒V型；外側(cè)則為近似直壁的舷側(cè)結(jié)構(gòu)，在舷側(cè)上設(shè)置了單個(gè)折角邊和靠近槽道側(cè)均設(shè)置了折角邊。

(2)橢圓形槽道。兩個(gè)側(cè)片體間的槽道橫剖面呈橢圓形，槽道兩側(cè)采用圓弧壁面，頂部為平直段，并在縱向上槽道寬度由艉部向艏部逐漸擴(kuò)大。

2 CFD數(shù)值模擬方案

2.1 數(shù)值計(jì)算方案

對(duì)不可壓縮牛頓粘性流動(dòng)滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程[1]：

(1)

(2)

本文的湍流模型選擇為SSTK-ω湍流模型。該模型綜合了標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)K-ω湍流模型的優(yōu)點(diǎn)，能夠在精確反應(yīng)實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)的基礎(chǔ)上同時(shí)具有良好的計(jì)算穩(wěn)定性和收斂性[2-4]。本文采用在船舶領(lǐng)域中最為常用的VOF法進(jìn)行自由液面的求解。該方法可以解決兩相交界面的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)等問題，代表了求解自由表面問題的主流思路。

2.2 計(jì)算域的設(shè)置

由于倒V型槽道滑行艇左右對(duì)稱，為節(jié)約計(jì)算資源、提高效率，本文采用單側(cè)模型計(jì)算。流體域?yàn)橐婚L方體，因?yàn)橥w周圍和自由液面附近的網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算精度有著明顯影響，因此本文在艇體周圍和水線面附近設(shè)置了兩個(gè)加密區(qū)以便更加精確地捕捉自由液面和艇體周圍的流場細(xì)節(jié)。流場域的具體尺寸大小和邊界條件設(shè)置見圖2，其中L代表船模船長。

圖2 計(jì)算域劃分示意圖

本文的網(wǎng)格劃分采用的是Star-ccm+軟件自帶的網(wǎng)格劃分工具，網(wǎng)格類型為切割體網(wǎng)格。對(duì)于兩個(gè)加密區(qū)網(wǎng)格尺寸設(shè)置如下：船體周圍加密區(qū)采用各向同性加密原則，網(wǎng)格大小設(shè)置為6‰L；自由液面附近加密區(qū)采用各向異性加密原則，網(wǎng)格尺寸在x、y方向設(shè)置為20‰L，在z方向上設(shè)置為10‰L，船體表面設(shè)置為6‰L[5]。

倒V型槽道滑行艇作為最新提出的一種艇型，出現(xiàn)時(shí)間短，理論和實(shí)驗(yàn)研究的資料都極其匱乏。綜合考慮，本文CFD計(jì)算采用模型計(jì)算。船模總長為2.5 m，寬為0.87 m，型深為0.31 m，重心位置在(0.75 m,0 m,0.22 m)處，排水量為130 kg。

3 斷級(jí)在倒V型槽道滑行艇的應(yīng)用

3.1 斷級(jí)的設(shè)置方案

合適的斷級(jí)結(jié)構(gòu)不僅可以降低艇體的浸濕面積從而減小粘性阻力，而且還能夠提升滑行面的滑行效率。滑行面設(shè)置斷級(jí)后，水流在斷級(jí)處分離，并在分離后形成通氣區(qū)，而通氣區(qū)的位置，應(yīng)正好處在同一個(gè)沒有斷階的滑行艇的艇底的低壓區(qū)域。因?yàn)樵谡劢蔷€處流動(dòng)開始分離的地方，單位長度的垂向水動(dòng)力為最大，所以斷級(jí)必須設(shè)置在這個(gè)位置后面一定距離的地方[6]。但由于倒V型槽道滑行艇滑行面為內(nèi)傾式，即：其滑行面為內(nèi)高外低而不同于普通滑行艇滑行面的內(nèi)低外高，因此其斷級(jí)的設(shè)置方案就需要特殊考慮。

有研究表明，對(duì)于斷級(jí)高度的設(shè)置應(yīng)取為2%～4%艇體折角線寬[7]，因此本文斷級(jí)高度設(shè)置為3%艇體折角線寬即17.1 mm。對(duì)于斷級(jí)的安裝位置，文獻(xiàn)[8]詳細(xì)研究了斷級(jí)安裝位置對(duì)滑行艇阻力性能的影響，并建議：對(duì)于單斷級(jí)滑行艇斷級(jí)的安裝位置應(yīng)在1～1.4倍的艇體折角線寬。因此，本文將斷級(jí)設(shè)置在距艉封板1.22B(B代表船寬)處，即距艉封板的距離為700 mm。而對(duì)于斷級(jí)角度的設(shè)置，由于內(nèi)傾式片體的存在，滑行面呈現(xiàn)出內(nèi)高外低，為了使斷級(jí)會(huì)更好地引入槽道的氣體，發(fā)揮斷級(jí)的減阻效果，倒V型滑行艇斷級(jí)需設(shè)置成反向形式，即：斷級(jí)與中縱剖面線所形成的銳角為30°。斷級(jí)設(shè)置方案如圖3所示。

圖3 倒V型槽道滑行艇斷級(jí)設(shè)計(jì)方案

3.2 倒V型槽道滑行艇斷級(jí)的減阻機(jī)理

由圖3看出，斷級(jí)將倒V型槽道滑行艇的艇底滑行面分成兩部分：由艇艏到斷級(jí)間的滑行面為P1，由斷級(jí)到艉封板間的滑行面為P2，其中P1在縱向長度上遠(yuǎn)大于P2。斷級(jí)之所以起到減阻效果，除了每個(gè)滑行面的滑行效率得到提高外，還在于斷級(jí)后空穴的形成，因此就有必要研究空穴形成的機(jī)理。

對(duì)于帶有斷級(jí)倒V型槽道滑行艇，水流經(jīng)過斷級(jí)處時(shí)由于滑行面P2突然上抬，水流和滑行面P2之間出現(xiàn)了脫體現(xiàn)象，水流經(jīng)過一段距離后再重新打到滑行面P2上，這樣就在斷級(jí)后形成了一個(gè)類似真空的區(qū)域。由于該區(qū)域處在低壓狀態(tài)，能夠?qū)⒉鄣纼?nèi)的空氣從斷級(jí)與槽道的開口處吸入，形成斷級(jí)后的空穴。由斷級(jí)處的壓力分布可以看出，水流越過斷級(jí)后在斷級(jí)附近首先形成一個(gè)明顯的低壓區(qū)域，當(dāng)再次與滑行面接觸時(shí)又形成明顯的高壓區(qū)。

空穴形態(tài)隨速度的變化見圖4。由圖4可以看到，當(dāng)航速較低時(shí)，水流在越過滑行面P1后會(huì)迅速與滑行面P2接觸，這樣可供空穴存在的空間極小。另外，由于槽道內(nèi)空氣較少，斷級(jí)能夠引入的空氣量也極少，因此斷級(jí)后幾乎沒有空穴的形成。隨著航速的提高，斷級(jí)引入的空氣量逐漸增大，水流越過斷級(jí)的距離也不斷增加，斷級(jí)后的空穴形狀和作用區(qū)域也不斷增加。從圖中可以看到，當(dāng)航速為Fr=5.83，空穴覆蓋了滑行面P2的大部分，此時(shí)斷級(jí)的存在有效地減小了艇底的濕表面積。

圖4 空穴形態(tài)隨速度的變化

3.3 無斷級(jí)與有斷級(jí)倒V型槽道滑行艇性能比較

為了更好地探究本文設(shè)計(jì)的斷級(jí)結(jié)構(gòu)的減阻效果和減阻幅度，本文利用CFD技術(shù)，對(duì)無斷級(jí)倒V型槽道艇與有斷級(jí)倒V型槽道艇在相同的CFD計(jì)算方案下進(jìn)行水動(dòng)力性能計(jì)算，并對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)分析，得出驗(yàn)證性結(jié)論。

3.3.1阻力和艇體姿態(tài)對(duì)比

通過圖5所示的阻升比(R/△)隨體積傅汝德數(shù)Fr▽曲線變化發(fā)現(xiàn)：當(dāng)航速較低時(shí)，設(shè)有斷級(jí)的倒V型槽道滑行艇的阻力性能比較差；當(dāng)滑行艇進(jìn)入到滑行階段以后，斷級(jí)的減阻作用逐漸顯現(xiàn)，且隨著航速的增加，減阻的效果也愈加明顯。當(dāng)Fr▽=3.14時(shí)減阻效果為6.0%，F(xiàn)r▽=4.49時(shí)減阻效果為6.2%，而當(dāng)航速增加到Fr▽=5.83時(shí)減阻效果則達(dá)到了10.1%，即設(shè)有斷級(jí)的倒V型槽道滑行艇在中高速段的阻力曲線更加平緩。由此可以看到，本文提出的斷級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)倒V型槽道滑行艇來講具有明顯的減阻效果。

有斷級(jí)和無斷級(jí)倒V型槽道滑行艇在航行姿態(tài)上也有比較明顯的區(qū)別，兩者的縱傾角、吃水隨體積傅汝德數(shù)變化曲線分別如圖6、圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)有斷級(jí)的倒V型槽道艇的縱傾值及升沉值在全速度段內(nèi)均略大于無斷級(jí)滑行艇。這表明斷級(jí)的存在使得片體的排水體積減少，從而引起了艇體縱傾角和吃水都有不同程度的增加。

圖5 有無斷級(jí)阻升比對(duì)比曲線

圖6 有無斷級(jí)縱傾角對(duì)比曲線

圖7 有無斷級(jí)吃水對(duì)比曲線

3.3.2艇底壓力分布對(duì)比

圖8給出了兩者的艇底壓力分布云圖。從圖中可以看出，無斷級(jí)的滑行面壓力分布除在滑行面初次與水面接觸的區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)壓力峰值外，整體分布比較均勻； 而斷級(jí)滑行面在斷級(jí)之前的區(qū)域與無斷級(jí)滑行面的壓力分布幾乎相同，也在滑行面與水面初次接觸的區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)壓力峰值，但在斷級(jí)后兩者的壓力分布出現(xiàn)了顯著的差別，帶斷級(jí)的滑行面出現(xiàn)了一個(gè)低壓區(qū)域和一個(gè)高壓區(qū)域。低壓區(qū)域出現(xiàn)是由于斷級(jí)空穴的形成和槽道氣流的引入，高壓區(qū)域的形成是水流在越過斷級(jí)后再次打到滑行面上引起的。

為了進(jìn)一步量化兩者艇底壓力分布的差別，本文取距中縱剖面0.2 m(0.25B)處的艇底壓力為代表，對(duì)比分析斷級(jí)對(duì)艇底壓力分布的影響，見圖9、圖10，其中橫軸表示距艉封板的距離，縱軸表示壓力的大小。

對(duì)于艇艏部由水流駐點(diǎn)形成的壓力集中區(qū)域，由于斷級(jí)的存在使得該處壓力峰值減小并且峰值位置也發(fā)生了小幅度的前移。對(duì)于艇底中后部的壓力分布，無斷級(jí)艇底壓力分布均勻、連續(xù)，而斷級(jí)使得倒V型艇底壓力分布出現(xiàn)了劇烈振蕩并呈現(xiàn)出不連續(xù)性，斷級(jí)后小范圍內(nèi)出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)域，之后壓力又迅速升至峰值，該峰值隨著航速的增加逐漸增大，峰值位置也逐漸后移；對(duì)于負(fù)壓區(qū)隨著航速的增加其負(fù)壓值快速降低且作用區(qū)域逐漸增大。相比于無斷級(jí)滑行艇，有斷級(jí)滑行艇艇底艉部的壓力峰值點(diǎn)壓力值更大，位置也更加靠近艇體艉部，這會(huì)對(duì)倒V型槽道艇的縱向航行穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖8 Fr▽=4.49時(shí)艇底壓力分布云圖

4 結(jié)語

本文首先提出了適合倒V型槽道滑行艇的斷級(jí)設(shè)置方案，解釋了該斷級(jí)方案的減阻機(jī)理，隨后通過CFD方法對(duì)比分析了有、無斷級(jí)的倒V型槽道滑行艇的水動(dòng)力性能。計(jì)算結(jié)果表明：倒V型槽道滑行艇的艇底設(shè)置本文提出的斷級(jí)，能夠明顯改變艇底壓力分布，使艇底出現(xiàn)空穴，以減小艇體的濕表面積，在高速航行時(shí)能夠明顯降低艇體阻力(如：本文提出的斷級(jí)設(shè)計(jì)方案在Fr▽=5.83時(shí)，減阻效果為10%)，且對(duì)艇體的航行姿態(tài)影響較小。

圖9 不同速度下有斷級(jí)艇底壓力分布

圖10 不同速度下無斷級(jí)艇底壓力分布