基于計算流體動力學的兩棲車輛水動力性能模擬及試驗驗證

蔡宇峰,王麗麗,汪 宇,徐永澤

(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.西遞安科軟件技術有限公司(上海),上海 200120)

水陸兩棲車輛是同時具有陸地車輛性能和水上船舶性能的一種特殊車輛,既可以在陸地上行駛,又可以泛水浮渡。水陸兩棲車輛具有船舶的特點,但不具有船舶的局限[1-2]。目前針對水陸兩棲車輛水動力性能的研究方法,基本上是參照船舶設計中的拖曳試驗方法。該方法雖然可靠性強,但是成本高、周期長。隨著船舶計算流體動力學(CFD)技術的發展,使得采用數值計算方法研究兩棲車輛的水動力特性成為可能[3-7]。

兩棲車輛作為一種特殊船體,其水上性能與船舶有很大的相似性,因此參照船舶領域的研究方法是有必要的。20世紀70 年代以后,基于CFD的流場分析技術受到了船舶領域的高度重視。近年來,一些研究者采用數值計算方法對兩棲車輛的繞流場進行了數值模擬。高富東等[8]利用CFD研究車體首端和尾端切角并對車輛外形進行優化,減阻效果達到了51.2%。王濤等[9]基于CFD計算了典型的兩棲車輛迎浪直航運動。黃勁等[10]基于CFD將計算所得水動力導數與船舶經驗公式值進行對比,分析了兩棲車輛與船舶的差異對水動力導數造成的影響。

本文通過對某型兩棲車輛實車和模型靜水三自由度運動進行模擬,以及采用模型試驗對仿真值進行驗證,分析了兩棲車輛實車與模型之間的水動力性能換算關系。基于CFD理論建立了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、流體體積法及重疊網格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。模型試驗在中國特種飛行器研究所高速水動力實驗室的拖曳水池進行。

1 實車及模型的仿真模擬

1.1 研究對象

本文的研究對象是水陸兩棲車輛的實車及模型,研究對象參數如表1所示。研究過程中車輛沒有履帶,只有車輪。

表1 兩棲車輛參數Tab.1 Parameters of amphibious vehicle

1.2 數值水池及數值處理方法

在進行仿真模擬時,先將姿態角抬高5°,實車自由液面降低0.2 m,這樣調整可以使計算狀態提前穩定。車體運動求解采用DFBI (dynamic fluid body interaction)剛體運動模型。該模型將車體視為空間中的六自由度運動剛體,在流體壓力、摩擦力、重力及其他外力的作用下發生平動及轉動。 在求解過程中,主要關注重心的移動及繞重心的縱傾角度。

按照相似理論,來流方向兩棲車輛不動,流體在入口以固定速度流入。入口距離車身首部1L(L為車體長度),該入口為速度入口,水線上方為氣相入口,水線下方為液相入口;出口距離車身尾部3L,該出口為壓力出口,壓力隨水深變化而變化。上邊界、下邊界距離車身均為1.25L,設置為速度入口。側邊距離車身1.5L,設置為對稱邊界。由于靜水航行流場關于中縱剖面對稱,因此僅對流域一半進行網格離散,中縱剖面設置為對稱邊界。計算時先采用整體運動網格,在計算過程中發現車身姿態變化顯著,容易發生自由液面移動出網格加密區的情況,從而導致計算精度大幅降低。針對此問題,采用重疊網格,從而保證了模型在大角度姿態時自由液面的加密區網格不發生移動。采用流體體積法捕捉自由液面,該方法可以處理空氣和流體具有交界面的穩態和瞬態等問題。

1.3 數值結果及流場分析

表2分別給出了實車及模型的仿真計算結果,縮尺比為2.5。表2中,實車仿真值記為A;根據弗勞德數相似的換算方法,把A換算成模型仿真值,記為B;模型仿真值記為D。速度、阻力、實際姿態、升沉的換算比例分別為λ0.5、λ3、1、λ,λ表示實車與模型間的升沉比例關系。從表2可以看出,B與D兩者存在誤差,但是差值不大,進一步驗證實車與模型之間在一定程度上可以采用船舶的弗勞德數相似的換算方法;計算域內網格的精細程度及計算步長會導致B與D之間存在誤差。

表2 實車仿真值及模型仿真值Tab.2 Numerical results of all scale car and model

如圖1～3所示,車體尾部后方水面下降,車輛陷入由自身運動而形成的盆狀空間內,整體車輛尚未因滑行而完全托出水面。水陸兩棲車輛設計需要考慮車輛的陸地行駛性能,因此車體曲度變化較突然。在兩棲車輛車體曲度驟變處,特別是車體的尾部常會產生漩渦,越靠近漩渦中心壓力越低,從而形成吸力,此吸力阻礙了兩棲車輛的前進。水陸兩棲車輛在水上運動過程中會掀起波浪,由于波浪的產生,改變了船體表面的壓力分布情況。車首的波峰使首部的壓力增加,而車尾的波谷使尾部壓力降低,于是產生首尾流體動壓力差,進而形成阻力,壓差阻力占兩棲車輛總阻力的絕大部分。

圖1 實車自由液面Fig.1 Free surface of all scale car

圖2 實車對稱面Fig.2 Symmetry plane of all scale car

圖3 實車正壓Fig.3 Positive pressure of all scale car

2 模型試驗

2.1 試驗主要設備及模型安裝

模型在605所拖曳試驗水池進行試驗,試驗水池及拖車等水動力試驗設備技術指標如下所示:

(1)水池主尺度。池長510 m,池寬6.5 m,池深6.8 m,水深5.0 m。

(2)拖車性能。速度范圍0.1～22.0 m·s-1,車速穩定精度優于0.2%。

(3)測試手段。試驗數據采集和處理分析自動化。

進行模型試驗時,水池寬度不會引起阻塞效應。如圖4所示,模型試驗過程中,低速時模型首部上浪嚴重,因此在首部添加了擋板。

2.2 試驗結果及分析

為驗證仿真結果,對仿真計算的水陸兩棲車輛模型進行了水動力性能試驗。表3為兩棲車輛模型的試驗結果。

圖4 模型試驗Fig.4 Model test

表3 模型試驗值Tab.3 Experiment results of model

圖5～6給出了車輛模型的水動力性能試驗結果與速度的變化關系。隨著速度增加,先埋首,后抬頭,阻力值逐漸增加,2.67 m·s-1左右阻力趨向于一個峰值,這與船舶的運動現象類似。

圖5 阻力變化曲線Fig.5 Curve of drag with time

圖6 實際姿態變化曲線Fig.6 Curve of heave with time

圖7為兩棲車輛模型試驗的高速流場。從圖7可以看出,由于車首為鈍形,因此水線進水角較大。在車體首部還有大量的被車體掀起后很快就破碎的波浪,這種波浪稱為破波。尾部呈現一波谷,此現象具有與船舶類似的特點,同時由于前車輪兩側壓強較高,在該處形成較大的波峰。

3 仿真與試驗對比分析

表4給出了速度為2.93 m·s-1時模型的仿真值與試驗值,雖然兩者存在一定的誤差,但是該精度在進行兩棲車輛選型及水動力性能仿真分析時也在可接受的范圍內。結果表明:采用重疊網格可以較為準確地預報兩棲車輛的水動力性能及求解三維流固耦合問題,運用數值方法分析兩棲車輛的水動力特性是兩棲車輛有效的研究方法。

圖7 高速流場Fig.7 Flow field of high speed

表4 模型仿真值及模型試驗值Tab.4 Numerical and experimental results of model

表5給出了實車仿真值與模型試驗值以及按比例換算得到的模型仿真值與模型試驗值之間的關系。表5中按船舶換算比例得到的模型仿真值與試驗值之間雖然存在一定的誤差,但是也進一步驗證了水陸兩棲車輛的實車與模型之間的水動力性能換算在一定程度上可以采用船舶的弗勞德數相似的換算方法。綜合比較表4與表5,可以得出試驗值與仿真值在模型尺寸一致時,仿真值的精度更高。

圖8～9顯示了速度為2.93 m·s-1時兩棲車輛模型周圍的仿真與試驗流場,仿真與試驗結果在車體周圍波形分布情況基本相同。仿真過程很好地捕捉了車體尾部的興波,數值黏性的影響會使遠車體的興波有所衰減。鑒于此現象在車體尾部的開爾文區域進行網格加密。

表5實車仿真值及模型試驗值
Tab.5Numericalresultsofallscalecarandexperimentalresultsofmodel

參數實車仿真值A由A按船舶比例換算到的模型仿真值B模型試驗值CB與C的誤差/%速度/(m·s-1)4.632.932.930阻力/N8.48×103542.53484.9011.9實際姿態/(°)6.276.277.55-17.0升沉/mm134.6753.8748.4611.1

圖8 模型仿真流場(2.93 m·s-1)Fig.8 Numerical flow field of model(2.93 m·s-1)

圖9 模型試驗流場(2.93 m·s-1)Fig.9 Test flow field of model(2.93 m·s-1)

4 結論

本文基于計算流體動力學理論對自由液面的兩棲車輛黏性繞流場進行了數值模擬并對數值結果進行了試驗驗證,得到以下結論:

(1) 采用重疊網格可以有效地完成水陸兩棲車輛水上滑行的仿真工作,驗證了重疊網格及流體體積法對求解三維流固耦合問題的有效性。

(2) 本文計算方法可以用來預測兩棲車輛水面滑行狀態下的水動力性能,并且指導試驗方向,減少試驗的盲目性和隨機性,為水陸兩棲車輛減阻及其設計優化提供一定的技術支持。

(3) 從模型試驗值、模型仿真值及實車仿真值三者之間的關系,可以進一步驗證水陸兩棲車輛模型與實車水動力性能換算在一定程度上可以采用船舶的弗勞德數相似的換算方法。