斷級在倒V型槽道滑行艇上的應用研究

姬朋輝，袁 帥，魏 鵬，鄒 勁

(1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

倒V型槽道滑行艇充分吸收了雙體滑行艇艇型結構簡單和三體滑行艇水動力性能優異的特點，其兩個片體的滑行面為內傾式、槽道橫剖面形狀為橢圓形。該艇具有航行阻力小、可見興波小、波浪砰擊小、縱向穩定性好以及良好的操縱性、寬敞的甲板面積等優點。

斷級又稱作斷階，是高速快艇常用的提高滑行效率、降低阻力的措施，其通常設置在艇底的中后部，使此處底部滑行面出現不連續的階梯形狀。與單體斷級滑行艇不同的是，倒V型槽道艇因為內傾式滑行面和特殊槽道結構，并且槽道和滑行面又直接參與艇體運動姿態的控制，而艇體姿態又直接影響到斷級的水動力性能和作用效果，因此對于倒V型滑行艇而言，斷級的設置、作用機理以及是否能夠起到減阻效果都需要討論分析。

本文根據斷級減阻的工作原理,創造性地提出了適合倒V型槽道滑行艇艇型特點的斷級形式,并利用CFD技術驗證了斷級減阻的有效性。

1 倒V型槽道滑行艇艇型特點

倒V型槽道滑行艇屬于雙體滑行艇，具有雙體滑行艇的典型特征：中間槽道和兩個側片體結構，見圖1。但其外形結構又具有兩個明顯的特點：

(1)內傾式滑行面的側片體。該艇的主體結構為兩個大小相同的側片體。內側為艇底滑行面，滑行面剖面形式呈倒V型；外側則為近似直壁的舷側結構，在舷側上設置了單個折角邊和靠近槽道側均設置了折角邊。

(2)橢圓形槽道。兩個側片體間的槽道橫剖面呈橢圓形，槽道兩側采用圓弧壁面，頂部為平直段，并在縱向上槽道寬度由艉部向艏部逐漸擴大。

2 CFD數值模擬方案

2.1 數值計算方案

對不可壓縮牛頓粘性流動滿足連續性方程和動量守恒方程[1]：

(1)

(2)

本文的湍流模型選擇為SSTK-ω湍流模型。該模型綜合了標準K-ε湍流模型和標準K-ω湍流模型的優點，能夠在精確反應實際流動狀態的基礎上同時具有良好的計算穩定性和收斂性[2-4]。本文采用在船舶領域中最為常用的VOF法進行自由液面的求解。該方法可以解決兩相交界面的穩態和瞬態等問題，代表了求解自由表面問題的主流思路。

2.2 計算域的設置

由于倒V型槽道滑行艇左右對稱，為節約計算資源、提高效率，本文采用單側模型計算。流體域為一長方體，因為艇體周圍和自由液面附近的網格尺寸對計算精度有著明顯影響，因此本文在艇體周圍和水線面附近設置了兩個加密區以便更加精確地捕捉自由液面和艇體周圍的流場細節。流場域的具體尺寸大小和邊界條件設置見圖2，其中L代表船模船長。

圖2 計算域劃分示意圖

本文的網格劃分采用的是Star-ccm+軟件自帶的網格劃分工具，網格類型為切割體網格。對于兩個加密區網格尺寸設置如下：船體周圍加密區采用各向同性加密原則，網格大小設置為6‰L；自由液面附近加密區采用各向異性加密原則，網格尺寸在x、y方向設置為20‰L，在z方向上設置為10‰L，船體表面設置為6‰L[5]。

倒V型槽道滑行艇作為最新提出的一種艇型，出現時間短，理論和實驗研究的資料都極其匱乏。綜合考慮，本文CFD計算采用模型計算。船模總長為2.5 m，寬為0.87 m，型深為0.31 m，重心位置在(0.75 m,0 m,0.22 m)處，排水量為130 kg。

3 斷級在倒V型槽道滑行艇的應用

3.1 斷級的設置方案

合適的斷級結構不僅可以降低艇體的浸濕面積從而減小粘性阻力，而且還能夠提升滑行面的滑行效率。滑行面設置斷級后，水流在斷級處分離，并在分離后形成通氣區，而通氣區的位置，應正好處在同一個沒有斷階的滑行艇的艇底的低壓區域。因為在折角線處流動開始分離的地方，單位長度的垂向水動力為最大，所以斷級必須設置在這個位置后面一定距離的地方[6]。但由于倒V型槽道滑行艇滑行面為內傾式，即：其滑行面為內高外低而不同于普通滑行艇滑行面的內低外高，因此其斷級的設置方案就需要特殊考慮。

有研究表明，對于斷級高度的設置應取為2%～4%艇體折角線寬[7]，因此本文斷級高度設置為3%艇體折角線寬即17.1 mm。對于斷級的安裝位置，文獻[8]詳細研究了斷級安裝位置對滑行艇阻力性能的影響，并建議：對于單斷級滑行艇斷級的安裝位置應在1～1.4倍的艇體折角線寬。因此，本文將斷級設置在距艉封板1.22B(B代表船寬)處，即距艉封板的距離為700 mm。而對于斷級角度的設置，由于內傾式片體的存在，滑行面呈現出內高外低，為了使斷級會更好地引入槽道的氣體，發揮斷級的減阻效果，倒V型滑行艇斷級需設置成反向形式，即：斷級與中縱剖面線所形成的銳角為30°。斷級設置方案如圖3所示。

圖3 倒V型槽道滑行艇斷級設計方案

3.2 倒V型槽道滑行艇斷級的減阻機理

由圖3看出，斷級將倒V型槽道滑行艇的艇底滑行面分成兩部分：由艇艏到斷級間的滑行面為P1，由斷級到艉封板間的滑行面為P2，其中P1在縱向長度上遠大于P2。斷級之所以起到減阻效果，除了每個滑行面的滑行效率得到提高外，還在于斷級后空穴的形成，因此就有必要研究空穴形成的機理。

對于帶有斷級倒V型槽道滑行艇，水流經過斷級處時由于滑行面P2突然上抬，水流和滑行面P2之間出現了脫體現象，水流經過一段距離后再重新打到滑行面P2上，這樣就在斷級后形成了一個類似真空的區域。由于該區域處在低壓狀態，能夠將槽道內的空氣從斷級與槽道的開口處吸入，形成斷級后的空穴。由斷級處的壓力分布可以看出，水流越過斷級后在斷級附近首先形成一個明顯的低壓區域，當再次與滑行面接觸時又形成明顯的高壓區。

空穴形態隨速度的變化見圖4。由圖4可以看到，當航速較低時，水流在越過滑行面P1后會迅速與滑行面P2接觸，這樣可供空穴存在的空間極小。另外，由于槽道內空氣較少，斷級能夠引入的空氣量也極少，因此斷級后幾乎沒有空穴的形成。隨著航速的提高，斷級引入的空氣量逐漸增大，水流越過斷級的距離也不斷增加，斷級后的空穴形狀和作用區域也不斷增加。從圖中可以看到，當航速為Fr=5.83，空穴覆蓋了滑行面P2的大部分，此時斷級的存在有效地減小了艇底的濕表面積。

圖4 空穴形態隨速度的變化

3.3 無斷級與有斷級倒V型槽道滑行艇性能比較

為了更好地探究本文設計的斷級結構的減阻效果和減阻幅度，本文利用CFD技術，對無斷級倒V型槽道艇與有斷級倒V型槽道艇在相同的CFD計算方案下進行水動力性能計算，并對計算的結果進行了總結分析，得出驗證性結論。

3.3.1阻力和艇體姿態對比

通過圖5所示的阻升比(R/△)隨體積傅汝德數Fr▽曲線變化發現：當航速較低時，設有斷級的倒V型槽道滑行艇的阻力性能比較差；當滑行艇進入到滑行階段以后，斷級的減阻作用逐漸顯現，且隨著航速的增加，減阻的效果也愈加明顯。當Fr▽=3.14時減阻效果為6.0%，Fr▽=4.49時減阻效果為6.2%，而當航速增加到Fr▽=5.83時減阻效果則達到了10.1%，即設有斷級的倒V型槽道滑行艇在中高速段的阻力曲線更加平緩。由此可以看到，本文提出的斷級結構對倒V型槽道滑行艇來講具有明顯的減阻效果。

有斷級和無斷級倒V型槽道滑行艇在航行姿態上也有比較明顯的區別，兩者的縱傾角、吃水隨體積傅汝德數變化曲線分別如圖6、圖7所示。從圖中可以發現，設有斷級的倒V型槽道艇的縱傾值及升沉值在全速度段內均略大于無斷級滑行艇。這表明斷級的存在使得片體的排水體積減少，從而引起了艇體縱傾角和吃水都有不同程度的增加。

圖5 有無斷級阻升比對比曲線

圖6 有無斷級縱傾角對比曲線

圖7 有無斷級吃水對比曲線

3.3.2艇底壓力分布對比

圖8給出了兩者的艇底壓力分布云圖。從圖中可以看出，無斷級的滑行面壓力分布除在滑行面初次與水面接觸的區域出現了一個壓力峰值外，整體分布比較均勻； 而斷級滑行面在斷級之前的區域與無斷級滑行面的壓力分布幾乎相同，也在滑行面與水面初次接觸的區域出現了一個壓力峰值，但在斷級后兩者的壓力分布出現了顯著的差別，帶斷級的滑行面出現了一個低壓區域和一個高壓區域。低壓區域出現是由于斷級空穴的形成和槽道氣流的引入，高壓區域的形成是水流在越過斷級后再次打到滑行面上引起的。

為了進一步量化兩者艇底壓力分布的差別，本文取距中縱剖面0.2 m(0.25B)處的艇底壓力為代表，對比分析斷級對艇底壓力分布的影響，見圖9、圖10，其中橫軸表示距艉封板的距離，縱軸表示壓力的大小。

對于艇艏部由水流駐點形成的壓力集中區域，由于斷級的存在使得該處壓力峰值減小并且峰值位置也發生了小幅度的前移。對于艇底中后部的壓力分布，無斷級艇底壓力分布均勻、連續，而斷級使得倒V型艇底壓力分布出現了劇烈振蕩并呈現出不連續性，斷級后小范圍內出現了負壓區域，之后壓力又迅速升至峰值，該峰值隨著航速的增加逐漸增大，峰值位置也逐漸后移；對于負壓區隨著航速的增加其負壓值快速降低且作用區域逐漸增大。相比于無斷級滑行艇，有斷級滑行艇艇底艉部的壓力峰值點壓力值更大，位置也更加靠近艇體艉部，這會對倒V型槽道艇的縱向航行穩定性產生不利影響。

圖8 Fr▽=4.49時艇底壓力分布云圖

4 結語

本文首先提出了適合倒V型槽道滑行艇的斷級設置方案，解釋了該斷級方案的減阻機理，隨后通過CFD方法對比分析了有、無斷級的倒V型槽道滑行艇的水動力性能。計算結果表明：倒V型槽道滑行艇的艇底設置本文提出的斷級，能夠明顯改變艇底壓力分布，使艇底出現空穴，以減小艇體的濕表面積，在高速航行時能夠明顯降低艇體阻力(如：本文提出的斷級設計方案在Fr▽=5.83時，減阻效果為10%)，且對艇體的航行姿態影響較小。

圖9 不同速度下有斷級艇底壓力分布

圖10 不同速度下無斷級艇底壓力分布