三體滑行艇槽道的水氣動力特性研究

章麗麗, 孫寒冰, 蔣一, 宋儒鑫, 鄒勁

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

三體滑行艇槽道的水氣動力特性研究

章麗麗, 孫寒冰, 蔣一, 宋儒鑫, 鄒勁

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了研究槽道的水氣動力作用機理，本文利用CFX軟件結合船體六自由度運動方程對三體滑行艇在Fr為3.14～5.83的兩自由度靜水直航運動進行了模擬，結合試驗中的船體興波特性分析了槽道水氣動升力隨航速的變化規律。計算結果表明：槽道在Fr=5.83時，進入全通氣狀態；在Fr>4.04時，氣動升力成為槽道升力的主要來源并主要作用于槽道末端的平直段。不同的平直段長度的模型的計算結果表明：增大槽道平直段長度能夠提升槽道升力，并取得了6.0%的平均阻力收益，但減少了槽道的縱傾力矩，不利于高航速下的縱向穩定；而縮短平直段長度則降低了槽道的升力，并導致阻力出現3.7%的平均增幅，但模型的縱向運動穩定性略有提升。

三體滑行艇；槽道平直段；數值模擬；水氣動力特性；阻力

三體滑行艇是近年來所發展起來的一種新型的滑行艇艇型，相比于常規單體滑行艇，三體滑行艇在構型上的主要特征是起于船中的槽道分布于主艇體兩側。槽道在航行過程中不僅能夠提供水動升力，當航速足夠高時，槽道與艇體興波脫離，還會提供氣動升力來支持艇重，使得三體滑行艇具有遠優于常規滑行艇的高速阻力性能。相關研究表明，三體滑行艇的槽道所產生的氣動升力能夠達到艇重的20%～30%[1]；相比于具有單一槽道的雙體滑行艇，雖然雙體滑行艇在高速航行時所產生的氣動升力可達到30～80%[2]，但其槽道的氣動壓力中心通常位于重心之前，導致航行中的縱向穩定性變差；而三體滑行艇的氣動壓力中心則靠近艇尾，所產生的縱傾力矩能有效抑制海豚運動的發生，因而具有良好的高速運動穩定性。

目前，三體滑行艇已成為高性能類船舶的重要一支，有關其船體構型及水動力性能的研究也已成為滑行艇艇型研究中的熱點問題。鄒勁等[3]采用模型試驗手段對三體滑行艇在靜水和波浪中的水動力特性進行了系統的理論研究，對不同構型的模型在系列工況下的航行特性進行了分析[4]，并嘗試了在槽道內設置水翼、舭龍骨、噴氣裝置等設備來改善槽道的流動特性[5]。孫寒冰等[6]則采用數值手段對三體滑行艇主體部分所設置的引氣槽結構進行了研究，討論了不同拱度的引氣槽對高速阻力性能的影響。Yousefi等[7]對現有的滑行艇水動力研究手段進行了總結，并采用基于FVM(finite volume method)的Fluent軟件對某單體滑行艇以及其加裝槽道后的改進模型進行了對比研究。Morteza等[8]采用動網格方法結合船體六自由度運動方程實現了多槽道滑行艇兩自由度靜水拖航的模擬[9]，Moghadam等[10]則采用相同的手段研究了槽道的截面形式對靜水阻力性能的影響。

三體滑行艇槽道末段平直區域是槽道水氣動力的主要作用區，對于全艇的阻力性能有著至關重要的影響。因此，本文采用CFX軟件的FVM方法結合模型試驗數據對該區域的高速流動特性進行了研究。

1 模型試驗

1.1 模型簡介

本文研究的三體滑行艇模型側視圖如圖1(a)所示，槽道起始于船中之前，其前段呈反“S”型，后段則采用與基線平行的平直型，平直段LT的長度為0.2倍的船長L。從圖1(b)可以看出，主艇體占據了全艇絕大部分的排水體積；兩側的片體極為細長，其主要作用在于為槽道提供遮蔽并維持船體運動的平衡；槽道則由主體和片體所共同圍成，為了與兩側壁面光滑過渡，在槽道頂的兩端均采用了圓角處理。表1中給出了以主艇體折角線寬BM進行無因次化后的主要尺度參數。

(a)三體滑行艇模型側視示意圖

(b) 三體滑行艇模型正視示意圖圖1 三體滑行艇模型示意Fig.1 Specification of planning trimaran model

主要尺度參數總長L/BM5.5總寬B/BM1.98槽道寬BT/BM0.38槽道高H/BM0.31槽道平直段長度LS/BM1.1主體斜升角β/(°)13

1.2 試驗結果分析

該三體滑行艇的模型試驗于中航工業第605研究所高速水池完成，試驗對容積弗勞德數Fr在3.14～5.83的工況進行了測試，圖2給出了試驗中的阻力、縱傾及升沉隨Fr的變化曲線，其中試驗阻力由阻升比R/Δ表示，而無因次化升沉和縱傾表示為

(1)

(2)

(a)試驗阻力隨Fr的變化曲線

(b) 試驗縱傾和升沉隨Fr的變化曲線圖2 無因次化試驗阻力、縱傾和升沉Fig.2 Dimensionless resistance, trim angle and sinkage

圖3給了Fr=1.79,2.24,3.14和5.83時,艇體首尾的興波特性，結合試驗數據及現象可以看出，在Fr為1.0～2.0，模型處于半滑行狀態，逐漸增大的水動升力首先將艇艏部抬起，導致在此航速段出現明顯的縱傾峰值并產生較大的興波；加之艇體浸深較大，槽道幾乎全部浸沒于水中，其半封閉的幾何特征在額外增加了全艇浸濕面積的同時產生了較大的形狀阻力，因此在此航速段存在一個明顯的低速峰值。

當Fr高于2.0后，隨著航速的增加，艇體繼續抬升，縱傾迅速減少，水動升力的進一步增大，艏部及艇體兩側興波有了明顯的削弱；艇艉的尾渦進一步向艇后延伸，使得尾封板完全暴露于空氣之中；此時可認為模型已進入滑行狀態，槽道前段壁面已開始與興波波面脫離。

隨著航速持續提升，艇體升沉的變化趨于緩和，而縱傾的仍有進一步減少的趨勢，在Fr=3.14時，槽道前段已完全脫離水面，部分主體興波被槽道吸收，并與槽道內的空氣混合后在槽道尾端噴出，在艇尾形成明顯的槽道尾流。當達到最高航速時(Fr=5.83)，艇體兩側已幾乎沒有可見興波，主艇體興波基本上全部被槽道所吸收；而在尾封板處槽道頂部與槽道內的水氣混合流脫離，使得槽道進入充分的通氣狀態；在此狀態下，槽道的升力主要由其內部空氣層的氣動力所提供，槽道內浸濕面積大幅減少，從而降低了航行阻力，在阻力曲線則表現為高速段阻力隨著航速的增加而減小，出現第二個阻力峰。

(a)Fr=1.79

(b)Fr=2.24

(c)Fr=3.14

(d)Fr=5.83圖3 不同航速下艇體首尾的興波特性Fig.3 Bow and stern wave characteristics at different speeds

根據以上分析可以看出，三體滑行艇的阻力優勢主要體現在阻力曲線相對平坦的高速段，其在低速段較大的阻力峰值會導致低速巡航時的功耗增大，故三體滑行艇正常工作航速應處于起滑之后的高航速下，相應地本文中數值研究也主要針對于此航速段的工況。

2 數值模型及有效性驗證

2.1 數值計算方法簡介

在如上試驗研究基礎上，本文對3.14≤Fr≤5.83的工況進行了模擬，由于在高速航行時航行姿態的變化會對艇體的水動力特性產生較大的影響，在數值模擬的過程中計及了航行姿態的影響。圖4給出了具體的數值求解流程，本文采用RANS方程方法求解Navier-Stokes方程、結合SST(shear stress transportation)湍流模型和VOF(volume of fraction)方法完成了帶自由液面粘性繞流場求解體系的建立，通過初始模型繞流的求解，即可得出作用于艇體表面的壓力場和剪力場，艇體所受外力F和力矩M則由以下兩式得出：

(3)

(4)

式中：τ、I和G分別表示剪切力、壓力和重力，n為船模表面的外法線向量，r和rG則分別為船殼表面任意一點以及重心處的位移矢量。而船體升沉X和和縱傾θ則由如下式所示的船體六自由度運動方程進行求解：

(5)

(6)

圖4 數值求解流程圖Fig.4 Computational process

進而可得出船體表面網格節點的位移，通過網格節點的移動即可實現船體運動的模擬。實際的求解過程可認為是流場求解與運動求解的耦合，當所受外力和力矩在一定的物理時間內的變化趨近于零時，可認為整個求解過程達到了收斂，此時所求得的船體姿態即為該工況下穩定航行時的平衡姿態。

2.2 計算域的建立及網格劃分

如圖5所示，考慮到模型及流動的對稱性，本文中計算域的建立只針對半側船體進行，其在艇前、艇后、甲板以上、艇體以下、艇體左側方向的尺度分別為1L、4L、0.8L、1.5L和1.5L。為了對三體滑行艇的復雜幾何外形進行捕捉，本文中采用結構與非結構的混合網格進行整個計算域的離散。其中，在艇體表面采用三角形面網格進行劃分，并由表面網格沿法線方向進行拉伸形成近場的邊界層網格，在遠場區域采用規則的結構化網格，在近遠場的過渡區則采用非結構的四面體網格進行過渡，總網格數量約為8.4×105，艇體表面y+的范圍為70～300。

圖5 計算域及網格劃分示意Fig.5 Computational domain and mesh generation

2.3 數值有效性的驗證

表2中給出了計算值與試驗值的對比，可以看出，在計算的速度范圍內，計算姿態與試驗值吻合度良好；而阻力計算值則在Fr>4.49的高航速下出現較大的誤差，但整體趨勢與試驗值一致，并且對高航速下的阻力峰值點也有較為準確的捕捉。因此，本文中的計算方法能夠較好的模擬出三體滑行艇在靜水直航中的水動力特性，同時亦具有一定的計算精度，可用于本文中的計算與分析。

表2 計算值與試驗值的對比Table 2 Comparison of calculated results and experimental data

3 槽道作用機理研究

在試驗過程中，由于模型的遮蔽，所觀測到的現象主要為船體兩側興波和尾流，為了能夠直觀的描述槽道內的流動特征，在計算結果的處理中利用0≤X/L≤0.32槽道各剖面處的水氣分布云圖表示了槽道內興波和空氣層的隨航速的變化，如圖6所示，在Fr=3.14時，模型處于滑行狀態的初始階段，由于航行吃水較大，主片體興波導致槽道的中后段浸沒于水中，僅有極少量的空氣分布于槽道兩側的壁面處；隨著航速的提高，更多的艇體被抬離出水面，使得槽道內興波被削弱，槽道壁面逐漸與興波波面脫離，相應地通氣量也逐漸增大；直至最高航速時，槽道與水面完全脫離，并形成完整的氣層覆蓋于興波波面之上；此時槽道內的升力也由水動升力轉化為氣層的氣動升力。

圖6 不同航速下槽道系列剖面處的興波波形Fig.6 A series of transverse wave cuts in tunnel region at different speeds

為了研究槽道內的升力在槽道內的分布情況，文中將0≤X/L≤0.4的槽道壁面沿縱向分為10段，并對每段壁面所提供的升力進行了監測，得出了槽道升力沿縱向的變化曲線，如圖7所示。結合槽道內的流動特性可以看出，主片體興波對槽道升力有直接的影響，在Fr<4.04時，隨著興波的減弱槽道升力的峰值也隨之降低，并且隨著槽道浸濕長度的減少，其峰值也向艇尾移動，這表示在此航速段水動升力仍是槽道升力的主要來源；當Fr>4.04時，雖然空氣層的增長導致槽道浸濕面積的減少，但由于氣動力逐漸增大并提供大多數的槽道升力，故槽道內升力分布的變化不再明顯。

圖7 槽道升力沿縱向的變化曲線Fig.7 Tunnel lift varying along longitudinal direction

4 不同槽道平直段長度模型水氣動力性能對比

從圖7中槽道升力的作用區域來看，在高航速下的氣動升力主要作用于0～0.2的槽道平直段，故在槽道構型的設計中，平直區域的確定對槽道的高速水氣動力性能有著至關重要的影響。因此，本文在試驗模型的基礎上將槽道平直段長度分別調整為0.15L和0.25L，并利用上述數值手段對3種槽道進行了對比研究。圖8中給出了3種槽道中縱剖面形式的對比，為了便于文中的討論，將試驗模型命名為M1，槽道平直段縮短和增長后的模型則分別命名為M2和M3。

圖8 不同槽道中縱剖面形式的對比Fig.8 Comparison of longitudinal central section of different tunnels

圖9中給出了三模型計算阻力和姿態的對比，可以看出，平直段的長度對模型阻力有著明顯的影響，相比于原始模型M1，M2的阻力在計算的速度范圍內有了不同程度的增大，其平均阻力增幅為3.7%。而M3的阻力則有所降低，并且隨著航速的增大，阻力減額也愈發明顯；在Fr=5.83時，其最大阻力收益為7.6%，各航速下的平均阻力收益則為6.0%。在航行姿態上，數值計算結果較好的體現出了不同模型之間的差異性，其中M2的航行縱傾和升沉較M1均有所降低，而M3則表現出相反的趨勢。

由于槽道在航行過程中的主要作用是提供水氣動升力，并維持船體的平衡，其所產生的動升力的大小是衡量槽道水氣動力性能的重要指標。圖10中給出不同構型的槽道所產生的升力L的比較，可以看出，平直段長度的改變對槽道的水氣動力性能產生了明顯的影響，其中，M3的槽道升力要明顯高于其余模型，較之M1，其槽道升力在各航速下的平均增幅為9.5%；而M2在不同航速下的槽道升力則較M1要小，其平均減額為7.4%。

(a)計算阻力

(b)計算縱傾及升沉圖9 不同模型計算阻力及航行姿態的對比Fig.9 Comparison of calculated resistance and hull behaviors

圖10 不同構型槽道所產生的升力Fig.10 Comparison of tunnel lift between different tunnel configurations

圖11 不同構型槽道所提供的縱傾力矩Fig.11 Comparison of tunnel trim moment between different tunnel configurations

此外，由于槽道位于艇體的中后部，在航行過程中槽道升力能夠產生一個抑制航行傾角增大的縱傾力矩，其作用類似于尾壓浪板[11]，能夠有效地減緩高航速下海豚運動的發生，提高艇體縱向運動的穩定性。圖11給出了不同構型的槽道所產生的縱傾力矩T的對比，可以看出，雖然M3的槽道提供了最多的升力，但其所產生的縱傾力矩較其余模型明顯要小，這對高航速下的運動穩定性來說是不利的；與之相反的是，M2的槽道所產生的縱傾力矩則較原始模型略大。造成這種現象的原因是平直段長度的變化導致槽道壓力中心的縱向位置(LCP)發生改變，如圖12所示。M3槽道的壓力中心相比與原始模型要明顯前移，其在各航速下的平均移動距離為0.036L；而M2槽道的壓力中心則向艇尾方向移動了0.017L的平均距離。兩相比較，其結果是M3槽道的縱傾力臂減小，而M2槽道的縱傾力臂增大；對應地，槽道的縱傾力矩也表現出了相同的變化趨勢。

圖12 不同構型的槽道壓力中心的縱向位置Fig.12 Comparison of LCP between different tunnel configurations

5 結論

本文結合試驗現象和數值計算結果對槽道的水氣動力作用機理進行了研究，討論了槽道平直段長度對三體滑行艇阻力性能以及槽道水氣動力特性的影響，計算結果具有較好的可信度，在三體滑行艇艇型設計中具有一定的參考價值。根據本文中的計算和分析，可得出以下結論：

1)三體滑行艇的阻力優勢主要體現在起滑之后的高速段，在此航速段，主艇體興波逐漸被槽道所吸，槽道內通氣量逐漸增大，并在Fr=5.83時與興波波面脫離，進入全通氣狀態。

2)槽道進入全通氣狀態后，其浸濕面積迅速減少，降低了此狀態下的總阻力，使得高速段阻力曲線出現了明顯的阻力峰。

3)高航速下的氣動升力主要作用于槽道的平直段。而將平直段長度增大，有利于提高槽道升力，并降低整體的航行阻力，但會導致槽道縱傾力矩的減小，不利于高航速下的運動穩定。而將平直段長度縮短則取得了相反的變化趨勢。

4)槽道升力的大小與三體滑行艇的阻力性能有著直接的相關性，在本文的計算模型中，槽道升力較大的模型，其阻力性能也更好。

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Investigation of hydrodynamic and aerodynamic characteristics of tunnel of planing trimaran

ZHANG Lili， SUN Hanbing， JIANG Yi， SONG Ruxin， ZOU Jin

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In order to study the hydrodynamic and aerodynamic mechanisms of the tunnel of a planning trimaran, we used the computational fluid dynamics (CFD) software CFX to simulate the 2-DOF forward motion of the planing trimaran in calm water at volume-based Froude numbersFrranging from 3.14 to 5.83. We used the wave generating characteristics of both the model tests and numerical simulations to analyze the hydrodynamic and aerodynamic tunnel lift changes with navigation speed. Our calculated results show that the tunnel is entirely ventilated at a Froude number of 5.83, and that the aerodynamic force, which mainly acts on the straight section of the tunnel, provides most of the tunnel lift when the Froude number is above 4.04. The calculated results for models with different straight section lengths show that lengthening the straight section may increase tunnel lift to achieve an average drag reduction of 6.0%. However, this also decreases the tunnel trim moment and thus negatively affects the high speed motion stability. Shortening the straight section decreases the tunnel lift and results in an average drag increase of 3.7%, while slightly improving the longitudinal stability.

planing trimaran; straight section of tunnel; numerical simulation; hydrodynamic and aerodynamic characteristics; dra

2016-04-25

時間：2016-12-21.

國家自然科學基金 (51509055)； 中國博士后科學基金項目(2015M571397).

章麗麗(1984-), 女,博士研究生； 孫寒冰(1985-), 女,講師.

孫寒冰，E-mail：sun-han-bing@163.com.

10.11990/jheu.201604071

U661.31

A

1006-7043(2017)01-0031-06

章麗麗, 孫寒冰, 蔣一, 等. 三體滑行艇槽道的水氣動力特性研究[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017, 38(1): 31-36. ZHANG Lili，SUN Hanbing，JIANG Yi，et al. Investigation of hydrodynamic and aerodynamic characteristics of tunnel of planing trimaran[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(1): 31-36.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20161221.1524.010.html