滑行艇簡化模型流場數值模擬及改型研究*

陳克強 秦江濤

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

滑行艇是由艇底水動壓力的垂向分量平衡絕大部分艇重來減小浸濕面積和總阻力,適于高速航行的一種艇型.該型艇廣泛用于緝私、港監、水上公安、交通、軍事等領域,其應用領域和工作性質使得追求高航速成為用戶和設計人員十分重視的問題.通過設計合理的滑行面形狀,可有效提高滑行艇的滑行效率,減小滑行阻力.本文針對這一問題進行相關研究.

1 滑行艇的簡化模型及滑行面形狀對阻力的影響

平底滑行艇為最簡單的滑行艇艇型,其受力情況與滑行平板有相似之處.為此研究滑行艇的水動力問題,可以通過研究平板水動力問題來入手[1].對于以攻角α運動時的滑行平板,其阻力表達為

式中:Rt為總阻力;Δ為艇重,Rf為摩擦阻力.

當α為小角度時,cos α≈1,阻力近似為:Rt=Δ tan α+Rf.

即滑行艇的阻力可分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Δ tan α 2 部分.剩余阻力 Δ tan α部分將隨著攻角增大而增大,而攻角增大后會使浸濕面積減小,對減小摩擦阻力有利,因此存在一個對應于最小阻力的最佳航態角.通過調整航態,使滑行攻角等于或接近最佳航態角,可使阻力性能得到明顯的改善[2].

如果滑行艇起滑后航態角過大,則會導致噴濺阻力較大.此時可在尾端加一下反角度的楔形板減小阻力,這已在實驗和應用中得到了驗證.圖1為一固定平板尾部加楔型板前后的壓力分布對比示意圖:加裝楔形板后的平板壓力分布(圖1 a))與未加裝楔形板(圖1 b))相比,尾部壓力增大,整個板面的壓力中心后移.滑行艇加裝楔型板后為滿足重力平衡條件必然會減小航態角,從而減小過大的剩余阻力.航態角偏小也不是理想的情況,此時濕表面積過大,影響快速性,甚至導致不能順利起滑[3].

實踐中,一般采用調整重心縱向位置的方法來調整航態.但是滑行艇重心縱向位置往往會受船舶布置的限制而使航態無法達到理想的狀態,此時可采用調整滑行面的方法解決這一問題.本文利用FLUENT軟件對滑行艇簡化模型的水動力特征進行數值模擬,從而指導對滑行艇滑行面的改型.

圖1 楔形板對二元滑行面壓力分布影響示意圖

2 簡化模型的數值模擬

通過FLUENT軟件進行滑行艇簡化模型兩相流的數值模擬.計算模型取一攻角為3°的三元板,Fr=1.12.計算域及部分邊條設置如圖2所示(圖中,L0=4 m):

圖2 計算域及部分邊條設置示意圖

入口邊界分別為水和空氣速度入口 u=u∞,v=w=0.

壁面邊條 u=v=w=0及k=0.

式中:u,v,w為速度U在笛卡爾坐標系中的分量;φ為除壓強外的其他流動變量;k為湍動能;ε為比耗散率.

兩相流的數值模擬基于VOF方法,設置楔形板前水、空氣交面處參考壓強為大氣壓,采用隱式格式求解RANS方程,對流項和擴散項采用二階迎風差分[4].

計算得到該三元板的水動壓力等值線分布如圖3所示.

圖3 三元板水動壓力等值線圖/Pa

三元板邊緣處由于直通大氣,該部分區域特別是尾部區域壓力最低,能夠提供的升力 L=Pcos α(P 為板面壓力;α為攻角)很小,但是通過計算發現這部分低升力區域的摩擦阻力與高升力區域摩擦阻力差別不大.

3 滑行艇改型及實驗驗證

即針對滑行艇航態角偏小的情況,上述改變滑行面形狀的方法降低阻力有2個原因:(1)使艇底壓力重新分布,壓力分布更為合理,利于減小阻升比;(2)調整航態角,減小浸濕面積從而減小粘性阻力.

3.1 改型方法及阻力實驗

為驗證上述計算及改進方案,針對某型艇作了改型.并在605所高速水池進行了改型前、后的阻力實驗.

滑行艇模型長11 m,艇寬3.2 m,船舯底升角26°.改型將滑行艇的尾端中部挖了一個隧道,隧道沿船長3個站(全船20站):見圖4,并去掉了艇底尾部邊緣部分矩形區域,寬約5 cm,沿船長2.5個站踞,去掉的面積約占起滑后濕面積的5%.

圖4 改型后模型的滑行面尾部

3.2 實驗結果及結論

實驗結果顯示:在起滑后的高速段,總阻力降低約7%.阻力曲線如圖5所示.

圖5 Rt-Fr曲線圖

并非所有的滑行艇經過這樣改型都可降低阻力,這與滑行艇是否以最佳航態角航行有很大關系.該艇在改型前滑行時航態角很小,與靜浮航態角十分接近,才考慮了通過該方法進行改型,改型后航態角略為增大.如果滑行艇航態角偏大,上述方法改型可能對降低阻力反而不利,而且改型減小了滑行面積和水線長度將使海豚運動的幾率增加.

4 結 束 語

通過通用軟件進行船舶流體力學的研究是一個較為有效的方法,與實驗相比,可以獲得更為豐富的流動細節;另外,滑行艇的滑行面對其航態與阻力的影響較大,通過合理的布置滑行面,可有效的提高滑行艇的滑行效率并減小其滑行阻力.

[1]董祖順.快艇動力學[M].武漢:華中理工大學出版社,1991.

[2]趙連恩,韓端峰.高性能船舶水動力原理與設計[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2001.

[3]郭值學.高性能船的發展與前景之管見(一)[J].中國造船,2001,42(4):73-82.

[4]Gao Qiuxin.Numerical simulation of free surface flow around ship hull[J].Journal of Ship Mechanics,2002,6(3):1-13.