申云磊，高霄鵬，霍聰

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

滑行艇是一種依靠水動(dòng)升力支撐艇重，將艇體托出水面，從而進(jìn)入滑行狀態(tài)的高速快艇，由于其外形簡單，工業(yè)技術(shù)要求低，發(fā)展時(shí)間長，因此廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域[1]。隨著無人技術(shù)拓展到海洋空間，水面無人艇作為一種智能艦艇受到廣泛關(guān)注，滑行艇因?yàn)槠鋬?yōu)越的水動(dòng)力性能，成為目前無人艇應(yīng)用最多的高性能船型[2]。

滑行艇的水動(dòng)力性能在艇體型線確定以后，通過增加阻流板、尾板、楔形塊等附體改善其性能成為最常見和有效的方法。其中，阻流板是一種垂直對(duì)稱安裝在尾封板下沿的平板，通過超出艇底部分的細(xì)長區(qū)域影響滑行艇的水動(dòng)力性能。阻流板的安裝及有效參數(shù)如圖1所示。圖中參數(shù)d和s分別表示阻流板的作用深度和寬度。相對(duì)其他附體，阻流板的研究開展較晚。文獻(xiàn)[3]利用CFD方法研究了阻流板對(duì)約40 m滑行艇的阻力性能影響，在中低速工況下降阻效果明顯。文獻(xiàn)[4 - 6]對(duì)阻流板的作用機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)阻流板前部小范圍內(nèi)形成水流漩渦影響了艇底的壓力分布，阻流板的作用效果除了與深度d和和寬度s有關(guān)外，與滑行艇的邊界層厚度也有很大關(guān)系。文獻(xiàn)[7 - 8]采用模型試驗(yàn)得到了針對(duì)特殊船型的阻流板參數(shù)。但是對(duì)于阻流板的選擇，目前仍沒有很好的選擇標(biāo)準(zhǔn)，阻流板作用太小不能達(dá)到理想的效果，太大則會(huì)引發(fā)阻力性能惡化以及埋首現(xiàn)象。因此，本文通過模型試驗(yàn)對(duì)某新型滑行艇進(jìn)行阻力性能試驗(yàn)研究，對(duì)比了不同深度的阻流板對(duì)模型靜水阻力和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響效果。在此基礎(chǔ)上利用CFD技術(shù)，通過Star-CCM+軟件平臺(tái)對(duì)滑行艇的靜水拖航試驗(yàn)進(jìn)行模擬，對(duì)阻流板的作用機(jī)制進(jìn)行了分析。

圖 1 阻流板示意圖Fig. 1Implementation of an interceptor aft of a planning boat

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型主尺度

該艇采用細(xì)長三角形滑行底面與深V滑行艇前舭的復(fù)合型設(shè)計(jì)，模型的無量綱化參數(shù)見表1。

表 1 船模無量綱化主要參數(shù)Tab. 1Main dimensionless parameter of model

為獲得和改善該艇的水動(dòng)力性能，在中國特種飛行器研究所高速拖曳水池進(jìn)行了靜水拖曳試驗(yàn)。試驗(yàn)水池長510 m，寬 6.5 m，水深5 m，拖車速度最高可達(dá)22 m/s。阻力的測(cè)量采用BLR-1型拉力傳感器，量程為0～40 kg，精度為0.2%?？v傾測(cè)量采用傾角傳感器，精度為0.1°。升沉采用拉線式方法測(cè)量，誤差小于1%。為了保證船模在高速拖曳過程中的強(qiáng)度，船模使用木質(zhì)結(jié)構(gòu)經(jīng)打磨、噴漆、防漏等一系列加工而成。試驗(yàn)中加裝了2種不同尺寸的阻流板，s取值折角線寬0.11，d取值1 mm，3 mm兩個(gè)尺寸，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

1.2 試驗(yàn)方案

對(duì)模型的初始狀態(tài)調(diào)整后，進(jìn)行從低速到高速的拖曳試驗(yàn)。拖曳過程中監(jiān)測(cè)滑行艇的阻力、傾角、升沉，觀察雞尾流和飛濺，發(fā)生運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)則停止試驗(yàn)，調(diào)整阻流板深度，繼續(xù)下一工況?；型У淖枇εc速度采用無量綱化處理：單位升阻比，為滑行艇阻力，為模型排水量，體積弗勞德數(shù)的計(jì)算公式如下：

圖 2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图白枇靼灏惭bFig. 2Model of test and installation of interceptor

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3給出了模型光體以及加裝阻流板1 mm，3 mm工況下的阻力、傾角以及升沉隨航速的變化曲線。由圖3（a）可以看出，加裝阻流板可以顯著降低＜5.5之前的單位升阻比，普遍降幅達(dá)到20%，阻力峰相對(duì)于中高速段的差值也明顯減小。在＞5.5之后，阻流板的降阻效果消失，略微超出無阻流板工況下的單位升阻比。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)阻流板3 mm與1 mm對(duì)于阻力的影響效果差別不大，沒有繼續(xù)進(jìn)行阻流板3 mm狀態(tài)下的高速工況。

圖 3 不同阻流板深度下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 3Comparison of test result at different depth of interceptor

滑行艇航行過程中縱傾角的變化直接影響滑行艇的阻力性能與縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，是反映其性能的關(guān)鍵參數(shù)。縱傾角越大，船體越容易出現(xiàn)海豚運(yùn)動(dòng)，并且在不同的體積弗勞德數(shù)下，存在著最優(yōu)航行攻角，對(duì)應(yīng)的阻力性能最好[9]。由圖3（b）可以看出，阻流板可以顯著降低航行過程中的縱傾角，在中高速時(shí)效果更加明顯，阻流板作用深度越大，縱傾角降低幅度越大。另外加裝阻流板后模型的速度上限由=6提高到=7說明阻流板使得縱傾角減小，縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性提高。由圖3（c）可以看出，阻流板作用深度越大，升沉值越小。升沉值會(huì)影響模型航行過程中的濕表面積，升沉值越大，濕表面積越小，對(duì)應(yīng)的摩擦阻力也越小。結(jié)合阻力的變化規(guī)律，傾角更能直觀的反映出阻流板對(duì)滑行艇的影響效果，并起主要作用。

2 數(shù)值分析

近年來隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)滑行艇水動(dòng)力性能的研究越來越多地采用數(shù)值計(jì)算方法開展[10-12]。利用CFD軟件不僅可以預(yù)報(bào)滑行艇的性能，還可以對(duì)試驗(yàn)中不易監(jiān)測(cè)的要素進(jìn)行量化和觀察，便于深入分析。本文基于Star-CCM+軟件平臺(tái)開展滑行艇靜水拖航及阻流板作用的數(shù)值仿真。

2.1 計(jì)算域與網(wǎng)格設(shè)置

根據(jù)流場(chǎng)關(guān)于船體中縱剖面的對(duì)稱性，僅對(duì)一半流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格離散。考慮到滑行艇在運(yùn)動(dòng)過程中劇烈的姿態(tài)變化，利用重疊網(wǎng)格技術(shù)將整個(gè)計(jì)算域劃分為重疊域與背景域，背景域在計(jì)算過程中保持靜止，重疊域與船體固連，在背景域中發(fā)生運(yùn)動(dòng)。采用切割體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散，兩域之間設(shè)置重疊網(wǎng)格交界面，用于流場(chǎng)信息的傳遞。的長方體構(gòu)型，其中入口距船首1.5L，

重疊區(qū)域采用略大于船模尺度的長方體構(gòu)型，船模表面設(shè)置為無滑移不可穿透壁面，中縱剖面設(shè)置為對(duì)稱面，其余邊界設(shè)置為重疊網(wǎng)格邊界。背景域采用上表面距甲板1L，下表面距艇底2L，均設(shè)置為速度入口；出口距船尾3.5L，設(shè)置為壓力出口；側(cè)面距中縱剖面3.5L，與中縱剖面均設(shè)置為對(duì)稱面。

為精確捕捉流場(chǎng)細(xì)節(jié)，提高計(jì)算結(jié)果的精度對(duì)船體附近自由液面等流場(chǎng)變化劇烈的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。船體表面網(wǎng)格尺度為，邊界層層數(shù)7層，總厚度為8 mm，增長率取1.4，保證壁面無量綱+值在30～300之間。自由液面垂向加密網(wǎng)格尺度為1 mm，對(duì)重疊域與背景域的重疊邊界進(jìn)行適當(dāng)加密，保證重疊域運(yùn)動(dòng)過程中數(shù)據(jù)傳遞的穩(wěn)定性。重疊域網(wǎng)格數(shù)量120萬，背景域網(wǎng)格數(shù)量40萬。計(jì)算域與網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖 4 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分Fig. 4Computational domain and mesh sketch map

計(jì)算中選用隱式非定常模式和歐拉多項(xiàng)流，利用VOF方法處理船體運(yùn)動(dòng)時(shí)興波自由面重構(gòu)等強(qiáng)非線性現(xiàn)象，湍流模式采用SST模式，壓力－速度的耦合求解采用PISO算法。同時(shí)在DFBI中，釋放船模沿方向的平動(dòng)以及繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)自由度。非穩(wěn)態(tài)時(shí)間離散采用1階格式，時(shí)間步長s。為保證計(jì)算收斂，在計(jì)算的初始階段固定模型，使得模型在接近穩(wěn)定的流場(chǎng)中進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整。同時(shí)在釋放模型后的一定時(shí)間內(nèi)對(duì)模型運(yùn)動(dòng)幅度進(jìn)行限制，使船體和重疊域邊界的初始運(yùn)動(dòng)幅值在很小的范圍內(nèi)變化，保證計(jì)算的穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)值有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算方法的有效性，根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容，計(jì)算滑行艇光體以及加裝阻流板時(shí)不同航速下的單位升阻比和縱傾角。表2和表3給出了光體及阻流板3 mm工況下的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值及其誤差?？梢钥闯鲈摂?shù)值方法計(jì)算所得的單位升阻比和傾角與試驗(yàn)值吻合較好，中低速工況下，升阻比最大誤差不超過5%，整體誤差均小于10%，滿足工程應(yīng)用的要求。誤差產(chǎn)生的原因主要是所采用的網(wǎng)格尺寸對(duì)滑行艇的噴濺捕捉精度有限以及阻流板作用尺度相對(duì)于船體尺度是一個(gè)極小量，計(jì)算誤差較大。

表 2 阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab. 2Comparison of resistance between calculations and experiments

表 3 縱傾角計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab. 3Comparison of trim between calculations and experiments

2.3 阻流板水動(dòng)力特性

圖 5 艇底壓力云圖Fig. 5Comparison of pressure distribution of bottom

3 結(jié) 語

1）合適長度的阻流板可以一定程度上改善滑行艇性能，顯著降低中高速靜水阻力和提高滑行艇的海豚運(yùn)動(dòng)臨界速度點(diǎn)。

2）基于Star-CCM+軟件可有效預(yù)報(bào)滑行艇以及加裝阻流板的靜水阻力性能，仿真結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好。

3）阻流板通過改變艇底壓力分布減小滑行艇的航行縱傾角從而改善靜水阻力性能和提高縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

圖 6 興波云圖Fig. 6Comparison of wave pattern contour