壓浪板對兩棲車輛水動力特性影響的數值分析

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(1.中國特種飛行器研究所,湖北 荊門 448035;2.江麓機電集團有限公司,湖南 湘潭 411100;3.西遞安科軟件技術(上海)有限公司,上海 200120)

隨著大功率推進裝置在兩棲車輛上的應用,提高和改善兩棲車輛的水動力性能已成為各國研究的重點[1-3]。兩棲車輛與一般艦船的運動方式相似,但與艦船的黏性繞流場相比,兩棲車輛的流線型較差,方形系數較高。兩棲車輛周圍繞流場存在大量的分離,再加上自由液面的影響,導致水動力特性數值計算難度增加[4]。目前應用的試驗方法基本上參照船舶設計中的拖模試驗方法,雖然該方法可靠性強,但是成本高、周期長。隨著計算機硬件與計算流體動力學(CFD)的迅猛發展,使得采用數值計算方法研究兩棲車輛周圍的黏性繞流場成為可能[5-6]。近年來,國內外一些研究者采用數值計算方法對兩棲車輛的繞流場及重疊網格進行了數值模擬[7-9],但沒有考慮空氣的影響。空氣阻力在兩棲車輛受到的總阻力中所占比例較小,簡化后的模型假設流體在自由液面上是不可穿越的,即不考慮車輛的興波和噴濺。這種假設會使總阻力計算值隨著航速的提高誤差不斷增大[10-12],因此有必要對兩棲車輛帶自由液面黏性繞流場的數值計算進行深入研究。本文基于計算流體動力學理論,建立兩棲車輛帶自由液面黏性繞流場的數學模型。采用Realizablek-ε兩方程湍流模型、流體體積(VOF)法及重疊網格法對兩棲車輛繞流場進行三維瞬態數值計算,得到繞流場、阻力、縱傾與升沉。在此基礎上,對兩棲車輛外形提出優化方案,計算分析兩棲車輛改型前后的水動力特性及流場。

1 靜水阻力數值預報方法

1.1 研究對象

本文以兩棲車輛(見圖1)為研究對象,對車體尾部加裝壓浪板的兩棲車輛進行水動力性能分析,并優選出最佳性能的車型。本文所選取的速度為兩棲車輛的設計航速25 km·h-1,雷諾數為2.7×107,長度弗勞德數為1.108。在進行水動力計算時,采用實車尺寸進行仿真。由于兩棲車輛是左右對稱的,因此采用實車的一半進行計算。本文僅對阻力、縱傾、升沉等3個自由度進行研究。

圖1 兩棲車輛尾部示意圖Fig.1 Afterbody of amphibious vehicle

1.2 控制方程

兩棲車輛的自由液面繞流是兩相流動問題,自由液面即為水和空氣的交界面。由于速度較低,空氣可作為不可壓縮流體處理。自由液面的捕捉采用VOF法,VOF法是一種固定歐拉網格下的表面跟蹤方法,用于構造和捕捉自由液面的數值計算。該方法可以處理具有空氣和流體交界面的穩態和瞬態等問題。在VOF法中,不同流體組共用一套動量方程,計算時在全流場的每個計算單元內,記錄下各流體組分所占體積。本文使用的湍流模型為Realizablek-ε兩方程湍流模型。該模型已經有效地應用于各種類型的流動模擬,包括邊界層流動和管內流動,比RNG(Renormalization group)k-ε兩方程模型有更廣泛的適用性。Realizablek-ε兩方程湍流模型不僅適用于充分發展的湍流,也適用于近壁區內的流動以及Re數較低的流動。

1.3 網格處理方法

區域離散的實質就是用有限個離散點來代替原來的連續空間,即生成計算網格。可以采用2種網格對兩棲車輛進行計算:整體網格和重疊網格。如圖2所示,采用整體網格進行計算時,由于車體姿態變化顯著,容易發生自由液面移動出網格加密區的情況,因此計算精度大幅降低。

圖2 整體網格不同時刻的網格變化Fig.2 Gridding variation of global grid in different times

從圖2可以看出,在初始姿態下,自由液面位于網格加密區內,可取得良好的自由液面捕捉效果。計算過程中,車體發生大幅度的縱傾與升沉變化,計算區域隨車體整體移動,使得針對自由液面的網格加密區與自由液面不能實現良好的位置匹配,導致對自由液面的捕捉精度大幅降低,如圖3所示。從圖3的興波圖像上看,計算所得自由液面出現了“凹凸不平”的現象,這主要是由于姿態的變化使得自由液面移動出了網格加密區,導致網格與自由液面不匹配。

要使計算域發生縱傾與升沉后自由液面仍然能夠落在加密區內,就必須增加自由液面加密區的高度。加密區高度的增加導致網格大幅增加,極大地影響了計算效率。為了保持一定的計算效率,在劃分網格時采用重疊網格。結合擾流情況,把計算區域劃分為2個區域,分別為內區域(車體附近)和外區域(離車體較遠),如圖4所示。由于流場情況比較復雜,因此對車體及行走機構周圍所在的內區域采用適應性很強的非結構網格進行離散;對遠離車體的流場外區域采用結構網格(六面體)進行較疏離散,以減小網格數量。2個區域之間采用重疊網格技術進行流動參數插值,從而保證模型發生大幅運動時自由液面的加密網格不發生移動。從圖4可以看出,對重疊區域附近的網格加密,而且背景網格加密區域較大,這主要是考慮到背景網格加密區域要覆蓋整個重疊區域運動時所能到達的極限位置。另外,由于車體姿態變化顯著,因此需要較大的背景加密區域,以保證計算精度。在一次初始姿態修正后,計算所得自由面十分“光滑”,所得結果更加可靠。

圖4 重疊網格及運動效果Fig.4 Overset mesh and moving effect

2 計算結果及分析

2.1 網格無關性驗證

網格劃分是一個比較關鍵的環節,計算網格的質量對結果的穩定性、準確性、收斂性以及計算效率和計算精度影響很大。由于計算時將連續域離散化,網格節點的密度及分布就會影響流體的性質,因此應根據流場中各物理量的分布特點對計算域進行合理地網格劃分,尤其是對一些關鍵部位。

計算網格需滿足以下基本要求:①計算域的尺寸與常規的水動力計算尺寸保持一致;②模型在航向上有200個左右網格,應不低于100個,局部特征較小處網格加密;③車身姿態角較大,采用重疊網格;④在自由液面附近進行網格加密,自由液面Z方向的網格加密區域有2個,在自由液面上下兩側是對稱關系,第一層加密高度是0.1 m,第二層加密高度是0.2 m;⑤自由液面加密處X、Y、Z向尺寸分別為Z=L/1 000,X=Y=50Z,其中L為車身長度;⑥網格質量必須滿足面網格變化率≥1、體網格變化率≤1的要求。計算網格在滿足以上要求時,選用2種網格進行計算,如表1所示。本文計算結果是按某比例縮放的數據,非原始數據。

表1 不同網格的計算結果Tab.1 Numerical results in different griddings

一般來說,網格節點數越多,計算精度越好。從表1的計算結果可以看出,2種網格的計算結果相差不大。為了提高計算效率,采用220萬網格進行計算,如圖5所示。

圖5 200萬網格Fig.5 2 000 thousand gridding

2.2 壓浪板對車體繞流的影響

兩棲車輛是同時具有陸地和水上行駛性能的車輛,兼顧到陸地和水上的使用環境,結構外形不能像船一樣做成流線形。端面形狀變化較劇烈的車體首部導致兩棲車輛在水中行駛時阻力較大,興波嚴重,尤其高速時車體首部上水會造成埋首等問題,嚴重時車輛不能前進。通過數值計算,分析加裝壓浪板前后3種車型在航速為25 km·h-1時的流場特性。表2所示為設計航速下三自由度運動仿真結果。

表2 25 km·h-1航速時的計算結果Tab.2 Numerical results at the speed of 25 km·h-1

從計算結果可以看出,1號改型(3)阻力最小,并且姿態角最小。在航速25 km·h-1時,改型車輛總阻力分別減小17.6%、24.6%,可使改型車輛在相同功率下水上航速顯著提高。

圖6和圖7是加裝壓浪板前后車體周圍流場及對稱面。模型在兩棲車輛尾部產生空氣渦旋,方尾下端低于弦側水面,水流向后形成一個凹槽,出現明渠流中的“水躍”現象,這與高速艇的尾流情況一致。氣水兩相之間有摻混,車體尾部后方水面下降,車輛陷入由自身運動形成的盆狀空間內,整體車輛尚未因滑行而完全托出水面。同時可以看出,加裝壓浪板對車體周圍繞流有較大影響,并且加裝壓浪板后兩棲車輛姿態角明顯降低。

車體尾部形狀的急劇變化引起突然去流,形成了很大渦旋,渦旋的存在勢必造成車體尾部壓力的驟降。壓差阻力占兩棲車輛總阻力的絕大部分,因此有必要對車體和流場的壓力分布進行分析。由于3種模型的車體壓力分布及周圍流場壓力、速度分布情況基本相同,因此本文僅給出1號改型(2)相應的計算結果。從圖8車體壓力云圖可以看到,車體首部產生的壓力較大,車體尾部位產生的壓力較小,這就形成了壓差阻力,阻礙車輛的前進。

圖6 流場Fig.6 Flow field

圖7 對稱面Fig.7 Plane of symmetry

圖8 壓力云圖Fig.8 Pressure diagram

3 結論

(1)加裝壓浪板的兩棲車輛水上性能更優。通過數值計算分析了某型兩棲車輛黏性繞流場的關鍵信息,結果表明加裝壓浪板的兩棲車輛流場特性得到了較大改善,有效降低了航行總阻力。

(2)采用重疊網格法和VOF法,可計算兩棲車輛在一定航速下穩定行駛時的航態和水動力特性。數值計算中考慮了興波的影響,捕捉到的自由液面波形與實際情況相符。由于考慮了興波阻力,保證了車體航行時總阻力的計算精度。

(3)計算兩棲車輛水動力特性時,車體繞流場區域采取分區混合網格劃分方案。該方案不僅減少了網格總數,還保證了足夠的計算精度。設置網格參數時,從內到外的網格尺寸比例不要超過1∶4。

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