朱 鋒 陳嘉偉 何術(shù)龍 倪其軍

(中國船舶科學(xué)研究中心1) 無錫 214082) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

深V快艇具有制造工藝簡單、耐波性優(yōu)異、航向穩(wěn)定性好等特點，但其航行過程中縱傾角變化劇烈.過大的縱傾角將影響艇的起滑，增大阻力峰的值，甚至出現(xiàn)起滑難等問題，過大的縱傾還會影響駕駛員的視野，存在一定的安全隱患.目前一般通過安裝艉楔、固定式壓浪板和可調(diào)式壓浪板等節(jié)能附體來改善艇尾流場[1]，調(diào)節(jié)航行姿態(tài)，進而提高其航行性能.阻流板系統(tǒng)是一種新型的航行性能改善裝置，一般也可稱作擾流器、艉插板、攔截器等，其比壓浪板更加高效，且還可通過兩側(cè)板的動態(tài)差動控制來實現(xiàn)減小橫搖、縱搖、轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)彎時的向心減速度[2].不同的阻流板伸出長度和船舶所處的航速段范圍是影響阻流板減阻性能的主要因素，合適的阻流板伸出長度可以有效降低船舶航行阻力，同時調(diào)整航態(tài).然而當(dāng)阻流板伸出長度過大時，也會使船舶產(chǎn)生埋首現(xiàn)象，從而增大阻力[3-4]，因此，需對阻流板不同伸出長度下深V快艇的水動力性能進行分析研究.

利用CFD技術(shù)預(yù)報高速滑行艇阻力性能時，還存在預(yù)報精度低等問題[5].文中對某高速深V快艇的阻力數(shù)值計算方法進行研究，從計算區(qū)域大小、網(wǎng)格數(shù)量和湍流模型三個方面確定該深V快艇的阻力數(shù)值計算方法.在該方法的基礎(chǔ)上對過渡段和滑行段兩個典型狀態(tài)下，不同阻流板伸出長度下的阻力性能及運動姿態(tài)進行預(yù)報.結(jié)合自由面興波和艇體表面壓力分布來對阻流板的減阻機理進行分析，最終獲得該艇阻力性能最優(yōu)所對應(yīng)的阻流板最佳伸出長度值.

1 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值求解方法

1.1 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

采用目前工程實際中應(yīng)用最廣泛的RANS方法進行數(shù)值模擬[6-7], RANS方法還需引入湍流模型來封閉該方程.動量方程采用有限體積法(FVM)進行離散[8]，離散格式采用二階迎風(fēng)差分格式，擴散項采用中心差分格式，代數(shù)方程的求解使用的是Gauss-Seidel迭代方法[9-10].選用流場中經(jīng)典的SIMPLE算法處理壓力速度耦合問題.

采用上述數(shù)值計算方法的基礎(chǔ)上，從計算區(qū)域大小、網(wǎng)格數(shù)量及湍流模型這三個方面對某深V快艇進行數(shù)值計算方法研究.

1.2 計算區(qū)域大小敏感度分析

計算區(qū)域選擇的越大，計算模型越接近于無界擾流的情況，但同時也意味著計算量越大，計算所需的計算機硬件性能越高，計算效率(經(jīng)濟性)越低；計算域選擇過小，計算所需的邊界條件以及由此得到的計算結(jié)果就難以與無界擾流的情況相一致[11-12].

為了確定計算域大小，定義計算域大小因子F，其以船長L為基準(zhǔn)單元，計算域向船首前方、船尾后方以及船垂直方向以及船寬方向延伸的距離與船長L的比值.圖1為計算域示意圖，其中：L3=10L1=5L2=5L5=20L4.

圖1 計算區(qū)域示意圖

主要計算參數(shù)如下：模型雷諾數(shù)Rem=1.452×107，模型體積弗勞德數(shù)Fr=2.832，湍流模型選擇SSTκ-ω.表1為該高速深V快艇靜水阻力計算結(jié)果.結(jié)果表明，當(dāng)計算域大小因子F≥1.3后，計算結(jié)果趨于穩(wěn)定，因此，確定計算域大小因子F=1.3.

表1 計算域大小對水動力計算結(jié)果影響

1.3 網(wǎng)格數(shù)量敏感度分析

圖2 三套網(wǎng)格示意圖

表2為不同網(wǎng)格數(shù)量在相同計算資源下(25個核)的計算結(jié)果與計算耗時.從中可以看出：網(wǎng)格數(shù)量在170萬以后，計算結(jié)果已趨于穩(wěn)定；且第三套網(wǎng)格的計算時間是第二套網(wǎng)格的4倍多，但精度收益微小，所以選擇第二套網(wǎng)格(170萬)作為后續(xù)數(shù)值計算的網(wǎng)格數(shù)量.

表2 三套網(wǎng)格的水動力數(shù)值計算結(jié)果

1.4 湍流模型選取分析

文中采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ω、SSTκ-ω、標(biāo)準(zhǔn)κ-ε這三種不同的湍流模型進行分析，時間差分格式統(tǒng)一設(shè)定為2階，動量差分類型統(tǒng)一設(shè)定為Super-bee形式，獲得了不同的數(shù)值計算結(jié)果，見表3.

表3 不同湍流模型數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

由表3可知，三種不同湍流模型的計算結(jié)果不盡相同，根據(jù)水池試驗結(jié)果對比分析可知，采用SSTκ-ω湍流模型所獲得的計算結(jié)果與水池試驗值更接近，誤差更小，因此，確定選擇SST湍流模型.

通過上述研究，確定了高速深V快艇的阻力數(shù)值預(yù)報方法，具體如下：采用SST湍流模型、網(wǎng)格數(shù)量170萬(半模)、計算域大小因子F=1.3.從與模型試驗結(jié)果對比可知，該數(shù)值計算方法計算穩(wěn)定、精度高，誤差在2%～6%，滿足工程預(yù)報要求，可以作為阻流板機理研究的方法基礎(chǔ).

2 阻流板減阻機理分析

2.1 阻流板外形方案確定

以上文中的高速深V快艇為研究對象，將阻流板安裝在主船體尾封板下沿.阻流板的主要作用為調(diào)節(jié)深V快艇航行姿態(tài)、改善航行阻力，故將阻流板安裝于艇尾封板1/4艇寬處，安裝位置示意圖見圖3.阻流板尺寸根據(jù)本艇主尺度按照某公司產(chǎn)品選型進行初步設(shè)計，阻流板長為450 mm，可伸縮長度為100 mm，將可伸縮長度以10 mm為一檔，分為10檔進行數(shù)值計算.

圖3 阻流板安裝位置示意圖

2.2 數(shù)值計算結(jié)果

阻流板減阻效果受到兩個因素的影響：阻流板的伸出長度和快艇的航行速度.為了使計算更加高效和更具針對性，選取兩個典型航速進行分析.一個為過渡狀態(tài)航速17.5 kn，對應(yīng)體積弗勞德數(shù)Fr=1.982，在該航速下模型阻力出現(xiàn)第一個峰值，對應(yīng)縱傾角也最大；另一個為準(zhǔn)滑行狀態(tài)25 kn，對應(yīng)體積弗勞德數(shù)Fr=2.832.

按照阻流板10%H伸出長度為一檔分別進行計算，表4～5為取航速Vs=17.5和 25 kn時阻流板不同伸出長度下模型阻力與運動姿態(tài)計算結(jié)果.

表4 阻流板不同伸出長度下模型阻力與運動姿態(tài)計算結(jié)果及對比(Vs=17.5 kn)

表5 阻流板不同伸出長度下模型阻力與運動姿態(tài)計算結(jié)果及對比(Vs=25 kn)

由表4～5可知，合適的阻流板伸出長度對深V快艇的減阻起到積極作用，隨著阻流板伸出長度的增加，深V快艇的阻力收益大致呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢.同時，兩典型航速下，該深V快艇的縱傾角均得到改善，最佳減阻方案對應(yīng)的航行縱傾角均在6°左右.當(dāng)Vs=17.5 kn時，計算模型在不同阻流板伸出長度下均實現(xiàn)減阻，當(dāng)阻流板伸出長度為40%H時，模型阻力值較光體阻力值減小了13.54%，深沉值增大了17.45%，縱傾角由原來的7.71°降為5.95°，減小了22.81%；當(dāng)Vs=25 kn時，阻流板伸出長度為10%H、20%H和50%H三個狀態(tài)下有減阻效果，當(dāng)伸出長度為10%H時，阻力值減少最多，為3.84%，對應(yīng)深沉值減小了4.34%，縱傾角減小了6.96%，其余不同伸出長度下的阻力值均未減小，并且隨著伸出長度的增大，阻力值呈現(xiàn)先減后增的趨勢.

2.3 阻流板減阻機理分析

在總阻力系數(shù)方面，總阻力系數(shù)CTM由摩擦阻力、興波阻力及壓差阻力三部分組成，該艇在17.5 kn時的雷諾數(shù)已經(jīng)越過臨界值，假設(shè)此時摩擦阻力系數(shù)隨著航速的增大基本不變.考察典型航速17.5和25 kn時，阻流板最佳伸出長度下自由面興波和艇體表面壓力分布的變化情況.

圖4為過渡狀態(tài)與滑行狀態(tài)下艇體兩側(cè)自由面興波示意圖，在兩個典型狀態(tài)下，阻流板的安裝都可以改善艇體自由面興波，對艇體兩側(cè)波浪飛濺起積極作用，從而降低了興波阻力.

圖4 兩典型航速下艇體兩側(cè)自由面興波圖

圖5為兩典型航速下艇艉波形圖，由圖5可知，在安裝阻流板后，雞尾流高度降低，船舶的虛長度邊長，這也一定程度降低了總阻力系數(shù).

圖5 兩典型航速下艇艉波形圖

圖6為過渡狀態(tài)與滑行狀態(tài)下艇底壓力分布，艇艉阻流板的安裝對水流存在阻礙作用，在阻流板附近壓力突變，形成一個正壓區(qū)，導(dǎo)致壓差阻力增大.

圖6 兩典型航速下艇底壓力分布圖

在濕面積方面，由表4～5可知，兩典型航速下模型縱傾角及濕面積隨阻流板伸出長度變化規(guī)律，由表可知，隨著阻流板伸出長度的增加，艇體浸濕面積大致呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢，由于浸濕面積與艇體的航行姿態(tài)密切相關(guān)，根據(jù)縱傾角隨伸出長度變化情況來看，伸出長度越大，對應(yīng)縱傾角越小，艇體首部浸濕面積就越大.

3 結(jié) 論

1) 基于RANS方程的數(shù)值計算方法預(yù)報精度較高，能夠滿足方案設(shè)計階段對深V高速艇的預(yù)報需求.

2) 相對于高速艇處于滑行狀態(tài)，阻流板在高速艇處于過渡狀態(tài)時減阻效果更加明顯，合適的阻流板伸出長度可以大幅降低模型總阻力峰值，使艇的起滑更容易.

3) 阻流板的使用增大了艇體的濕面積，但減小了阻力系數(shù)，在合適的伸出長度情況下，阻力系數(shù)減阻的收益大于濕面積增加導(dǎo)致的阻力增大，起到了減阻效果.

4) 在總阻力系數(shù)方面，阻流板將引起艇尾部壓差阻力的增大，但可降低興波阻力，由于興波阻力的減小值較壓差阻力的增大值要大，因此總阻力系數(shù)依然得到降低，且阻流板減小了船艉雞尾流高度，增加了船舶的虛長度.

5) 阻流板的減阻機理主要是通過改變艇體壓力分布，改善航行姿態(tài)，降低興波、減小艇體兩側(cè)飛濺阻力、增加船舶虛長度，進而降低剩余阻力來實現(xiàn).