水面水下兩用艇艇型設(shè)計(jì)及其水面阻力性能CFD 預(yù)報(bào)分析

王 慧，倪其軍，李勝忠，張 倩，馬丹萍

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082)

0 引 言

傳統(tǒng)水下航行體不具備水面高速航行能力，且受航程及續(xù)航能力的限制，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)通常需由母船搭載運(yùn)輸投放，不易隱藏且工作效率較低。近些年，隨著市場(chǎng)需求的多元發(fā)展以及科技手段的不斷更新，對(duì)船舶的功能提出了更高的要求，迫切需要一種兼具水面高速航行及水下隱蔽潛航能力的新型船舶。

水面水下兩用艇具有水面高速航行及水下運(yùn)載2 種運(yùn)行功能，水面航速高、航程大，既可遠(yuǎn)程、大范圍獨(dú)立部署，也可由潛艇、水面船舶、飛機(jī)等平臺(tái)投送，使用靈活且適用范圍較廣，因此對(duì)于此類新型船舶的研究也逐漸受到各國(guó)的重視。除軍事用途外，兩用艇也可用于海洋工程建設(shè)中的特殊用途及旅游觀光，其研究對(duì)于軍用和民用都有著非常重要的意義。目前，對(duì)于兩用艇的研究主要集中在歐美各國(guó)，而國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究尚處于探索階段，因此，開(kāi)展兼具水面高速航行及水下隱蔽潛航功能的新型船舶的研究是非常必要的。

近些年，隨著船舶CFD 的日益成熟，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已成功利用CFD 技術(shù)來(lái)輔助船舶設(shè)計(jì)，這大大縮短了新船型的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期。朱恒蕊等[1]利用CFD 輔助設(shè)計(jì)對(duì)6 000 DWT 漁船的船型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。常亮[2]、李云暉[3]等對(duì)CFD 數(shù)值預(yù)報(bào)在高速艇水動(dòng)力性能研究中的應(yīng)用做了較多工作。

本文首先對(duì)水面水下兩用艇的發(fā)展現(xiàn)狀及艇型特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，然后基于RANS 方法及重疊網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)與兩用艇艇底構(gòu)型完全相同的雙折角雙防濺條滑行艇的自由模拖曳運(yùn)動(dòng)（計(jì)及升沉及縱傾）進(jìn)行數(shù)值模擬，并與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值方法的可靠性。最后，對(duì)水面水下兩用艇的水面航行阻力性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，分析了兩用艇尾部特殊形狀對(duì)其水面航行性能的影響，并嘗試采用加裝阻流板的方法改善兩用艇的水面航行性能，討論了阻流板對(duì)兩用艇水面航行阻力特性的影響規(guī)律，為今后兩用艇的設(shè)計(jì)及水動(dòng)力性能研究提供參考。

1 水面水下兩用艇發(fā)展現(xiàn)狀及艇型特點(diǎn)

作為一種新概念艇，水面水下兩用輸送艇既可在水面高速航行也可以下潛到一定水深航行，與傳統(tǒng)水下運(yùn)載器相比的優(yōu)勢(shì)在于該艇可以在相當(dāng)遠(yuǎn)的距離內(nèi)完成高速運(yùn)送任務(wù)，無(wú)需母船搭載運(yùn)輸。目前，許多國(guó)家都在開(kāi)展相關(guān)的研發(fā)工作，其中瑞典、美國(guó)、俄羅斯在兩用艇技術(shù)研究中處于領(lǐng)先水平。表1 為幾種水面水下兩用艇主要性能對(duì)比。

表 1 國(guó)外幾種水面水下兩用艇主要性能對(duì)比Tab. 1 Characteristics of existent dual-purpose craft

目前，國(guó)外兩用艇水面最高航速可達(dá)40 kn，上層建筑少且多采用全封閉設(shè)計(jì)線型，艇底均采用高速滑行艇設(shè)計(jì)構(gòu)型，在水面高速航行時(shí)其運(yùn)動(dòng)機(jī)理與高速滑行艇相似，可在高海況下航行。另外，兩用艇艇型設(shè)計(jì)除了要滿足水面航行要求外，還要考慮水下潛航過(guò)程中穩(wěn)定的航行姿態(tài)及良好的操縱性能。

本文將圍繞自行設(shè)計(jì)的水面水下兩用艇初期設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。為了滿足水面高速低阻的航行要求，兩用艇水線以下采用雙折角深V 尖舭的滑行艇構(gòu)型，使艇在水面高速狀態(tài)下較容易進(jìn)入滑行階段，艇底設(shè)計(jì)有前后錯(cuò)位的雙防濺條，起到抑制噴濺的作用，減小航行過(guò)程中艇底壓力損耗[4]。圖1 為水面水下兩用艇與雙折角雙防濺條滑行艇船舯橫剖面對(duì)比圖，可以看出，兩用艇水線以下線型與滑行艇完全相同。與傳統(tǒng)水下水滴型對(duì)稱航行體不同，兩用艇水線以上封閉線型在甲板邊線處平行內(nèi)收，而后形成圓弧狀封閉艇體。

圖 1 滑行艇與兩用艇船舯橫剖面對(duì)比圖Fig. 1 Comparison of central lateral plane between planing craft and dual-purpose craft

另外，考慮到方形尾部曲線會(huì)對(duì)兩用艇水下航行時(shí)的快速性及操縱性能產(chǎn)生不利影響，兩用艇尾部額外設(shè)計(jì)增加了一段凸出假尾。如圖2 所示，與常規(guī)滑行艇相比，兩用艇尾部具有一定的縱向斜升角，從而形成了獨(dú)特的斜升型尾部曲線，特殊的尾部形狀不但會(huì)增加水面航行時(shí)的滑行面面積，還會(huì)改變艇體壓力及尾部流場(chǎng)的分布，進(jìn)而影響兩用艇水面高速航行時(shí)的阻力性能及航行姿態(tài)。

圖 2 滑行艇與兩用艇艉部形狀對(duì)比圖Fig. 2 Comparison of stern shape between planing craft and dual-purpose craft

2 數(shù)值方法及流域劃分

由不可壓縮Navier-Stokes 方程進(jìn)行時(shí)間平均得到RANS 方程：

重疊網(wǎng)格將不同運(yùn)動(dòng)部分單獨(dú)劃分網(wǎng)格后嵌入到同一背景網(wǎng)格中，不同區(qū)塊網(wǎng)格可以以任意方式重疊嵌套，并通過(guò)重疊部分完成流場(chǎng)信息的交流互換，網(wǎng)格劃分技術(shù)更加靈活，更適用于高速艇大幅度大角度的運(yùn)動(dòng)計(jì)算模擬[5]。因此，本文所有數(shù)值計(jì)算均采用重疊網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行艇體運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)。圖3 為重疊網(wǎng)格流域劃分方案。

圖 3 流域劃分及邊界條件Fig. 3 Computational domain and boundary conditions

結(jié)合計(jì)算精度及計(jì)算時(shí)間、資源等因素，本文數(shù)值計(jì)算艇體網(wǎng)格尺度取為艇長(zhǎng)的0.7%，過(guò)渡狀態(tài)取=100， 滑行狀態(tài)取=200， 計(jì)算采用 S S Tk-ω湍流模型，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，以此來(lái)提高計(jì)算精度和效率。

3 滑行艇線型數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

本文首先將兩用艇滑行艇構(gòu)型單獨(dú)剝離出來(lái)，形成雙折角雙防濺條滑行艇模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。滑行艇在高速航行時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大幅度的升沉及縱傾運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)變化劇烈。為了提高艇體阻力及運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)精度，在艇體周圍、自由液面及尾流場(chǎng)附近均進(jìn)行了不同程度的網(wǎng)格加密。圖4 為滑行艇模型及流域網(wǎng)格劃分。

圖 4 艇體及流域網(wǎng)格劃分Fig. 4 Profile views of planing craft and mesh arrangement

3.2 滑行艇計(jì)算結(jié)果及分析

1）由表2 可知，艇體處于過(guò)渡狀態(tài)時(shí)的阻力計(jì)算結(jié)果誤差在5%～10%之間，處于滑行狀態(tài)時(shí)阻力計(jì)算誤差介于0.042%～5%之間，阻力計(jì)算誤差均保持在10%以內(nèi)，且隨著傅汝德數(shù)的增大，數(shù)值模擬阻力變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本吻合，可以較好反映滑行艇自由模航行過(guò)程中的阻力特性。由圖5 可以看出，滑行平板阻力估算公式對(duì)于此類具有雙折角線雙防浪條的滑行艇阻力估算結(jié)果可靠性較差。

表 2 滑行艇自由模總阻力數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Numerical and experimental results of the total resistance for the planing craft

圖 5 滑行艇線型總阻力數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比圖Fig. 5 Comparison of total resistance between computational and experimental results for planing craft

圖 6 滑行艇線型縱傾角數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比圖Fig. 6 Comparison of trim between computationaland experimental results for planing craft

圖 7 滑行艇線型升沉數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比圖Fig. 7 Comparison of heave between computational and experimental results for planing craft

2）由圖6 和圖7 可以看出，數(shù)值模擬對(duì)滑行艇自由模運(yùn)動(dòng)過(guò)程中航態(tài)的預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，變化趨勢(shì)吻合良好，預(yù)報(bào)精度較高。

4）由圖8 可以發(fā)現(xiàn)，舭部雙折角線及雙防濺條的存在對(duì)于艇底的壓力分布有較大的影響，防濺條在抑制水流分離噴濺的同時(shí)也將一部分水流阻滯在相應(yīng)位置，從而形成防濺條附近的高壓區(qū)域，從圖中還可以明顯看出高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中噴濺流離開(kāi)舭部折角時(shí)對(duì)壓力分布產(chǎn)生的影響。另外，數(shù)值模擬對(duì)于尾部“雞尾流”也有較好的體現(xiàn)。

圖 8 Fr▽=3.979 2 時(shí)滑行艇艇底壓力云圖及自由液面波形圖Fig. 8 Pressure distribution of hull bottom and wave contours of free surface when Fr▽=3.979 2

5）由圖9 可以看出，有相當(dāng)一部分的橫向水流被2 條防濺條阻擋，剩余水流最終在艇體折角處發(fā)生流動(dòng)分離，此時(shí)，橫向噴濺作用已被很大程度削弱，防濺條的存在可以有效抑制滑行艇的噴濺作用，同時(shí)還可增加滑行面面積。

圖 9 滑行艇艇底流場(chǎng)分布圖Fig. 9 Free water surface near the ship body

4 兩用艇水面阻力性能預(yù)報(bào)分析

4.1 計(jì)算模型及工況

事實(shí)上，水面水下兩用艇水線以上的弧狀封閉線型對(duì)于兩用艇水面航行時(shí)的水動(dòng)力性能影響甚小。為了簡(jiǎn)化建模過(guò)程，減少計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量，本文在計(jì)算兩用艇水面航行狀態(tài)時(shí)將忽略封閉蓋，僅保留滑行艇及假尾構(gòu)型。兩用艇簡(jiǎn)化模型及網(wǎng)格劃分如圖10 所示。

圖 10 兩用艇簡(jiǎn)化模型及網(wǎng)格劃分Fig. 10 Simplified model of dual-purpose craft

為與滑行艇水動(dòng)力性能進(jìn)行比較，兩用艇水面狀態(tài)數(shù)值計(jì)算工況、網(wǎng)格劃分以及數(shù)值模擬方法等均與滑行艇數(shù)值計(jì)算相同。

4.2 兩用艇計(jì)算結(jié)果與分析

表3 及圖11 為兩用艇與滑行艇數(shù)值計(jì)算總阻力的比較，表4 為兩用艇與滑行艇縱傾與升沉數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

將兩用艇與滑行艇計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：

1）Fr?＜1.9896 航速較低時(shí)，兩用艇與滑行艇均未起滑，此時(shí)兩用艇假尾對(duì)于艇體的阻力及航態(tài)影響較小。因此，低速狀態(tài)下兩用艇總阻力數(shù)值模擬結(jié)果與滑行艇數(shù)值模擬結(jié)果差別不大，航態(tài)也基本一致。由圖12（a）可以看出，低速時(shí)兩用艇與滑行艇尾部流場(chǎng)分布差別甚微，假尾的影響很小。

表 3 兩用艇與滑行艇總阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Numerical total resistance for planing craft and dual-purpose craft

通過(guò)以上對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，縱向斜升型假尾對(duì)兩用艇的水動(dòng)力性能有很大的影響，使得艇體水面運(yùn)動(dòng)幅度加大，導(dǎo)致兩用艇總阻力增加。因此可以考慮加裝阻流板等附體來(lái)改善兩用艇的航行性能。

4.3 阻流板對(duì)兩用艇水面阻力性能的影響規(guī)律

阻流板是安裝于艇體尾板下緣的一塊薄板，是目前高速船舶設(shè)計(jì)中減阻效果較好、應(yīng)用最為廣泛的附體之一。兩用艇阻流板尺寸主要參考了同等尺度滑行艇的阻流板尺寸，長(zhǎng)度（、寬度（）、厚度（）分別為112 mm，50 mm，5 mm，如圖14 所示。

圖 14 阻流板安裝位置及網(wǎng)格Fig. 14 View and mesh of interceptor

1）隨著阻流板伸出深度的不斷增大，兩用艇縱傾角及升沉值逐漸減小，艇體運(yùn)動(dòng)幅度減小，兩用艇所受總阻力呈遞減趨勢(shì)，阻流板具有非常明顯的減阻作用。由圖15～圖17 可以看出，阻流板伸出量的變化對(duì)于兩用艇阻力性能及航行姿態(tài)的改善存在一個(gè)最佳值。伸出量達(dá)到50%時(shí)，減阻率為44.01%，伸出量為80%時(shí)，減阻效果最好，減阻率為47.21%。伸出量在50%之后，減阻效果對(duì)于阻流板深度的變化變得不敏感，阻流板伸出量超過(guò)最佳深度后，艇體阻力反而有增大的趨勢(shì)。

3）圖18 為阻流板不同伸出深度時(shí)的自由液面流場(chǎng)分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，阻流板的存在使得兩用艇尾部流場(chǎng)的谷峰值大大減小，流場(chǎng)流動(dòng)變得緩和，興波減小，從而使得艇體總阻力變小。由圖19 可以看出，阻流板阻擋了尾部流體的流動(dòng)，并在阻流板前方形成壓力駐點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生較大的首傾力矩，使得艇體縱傾角減小，艇底壓力駐線向前移動(dòng)，升力系數(shù)增大，艇體升沉減小。

圖 15 兩用艇總阻力隨阻流板伸出量的變化曲線Fig. 15 Numerical total resistance for dual-purpose craft at different blade deployment of interceptor

圖 16 兩用艇縱傾角隨阻流板伸出量的變化曲線Fig. 16 Numerical trim for dual-purpose craft at different blade deployment of interceptor

圖 17 兩用艇升沉隨阻流板伸出量的變化曲線Fig. 17 Numerical heave for dual-purpose craft at different bladedeployment of interceptor

圖 18 不同阻流板伸出量時(shí)的自由液面波形圖Fig. 18 Wave contours of free surface at different bladedeployment of interceptor

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)水面水下兩用艇的發(fā)展現(xiàn)狀及艇型特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，然后基于RANS 方法及重疊網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)雙折角雙防濺條滑行艇及水面水下兩用艇的自由模拖曳運(yùn)動(dòng)（計(jì)及升沉及縱傾）進(jìn)行數(shù)值模擬，并研究了阻流板對(duì)兩用艇水面航行阻力特性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

圖 19 不同阻流板伸出量時(shí)的艇底壓力分布圖Fig. 19 Pressure distribution of hull bottom at different blade deployment of interceptor

1）水面水下兩用艇集水面高速航行與水下潛航功能于一體，為了滿足水面高速低阻的性能要求，兩用艇艇底多采用滑行艇構(gòu)型。同時(shí)，兩用艇的整體外形設(shè)計(jì)還需考慮水下航行性能要求，需要將水面高速艇與水下運(yùn)載器線型巧妙融合。

2）本文所用數(shù)值預(yù)報(bào)方法對(duì)處于滑行狀態(tài)的高速艇總阻力計(jì)算精度高于過(guò)渡狀態(tài)，滑行階段總阻力計(jì)算誤差在5%以內(nèi)，過(guò)渡階段總阻力計(jì)算誤差在10%以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果較為可靠。同時(shí)，數(shù)值方法對(duì)于高速艇航態(tài)（升沉及縱傾）的預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，變化趨勢(shì)也基本一致。數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果可以較好地反映出高速艇艇底壓力分布規(guī)律、高速航行中的噴濺及“雞尾流”現(xiàn)象。

3）水面水下兩用艇尾部特殊外形使得兩用艇總阻力增大，航態(tài)變化加劇。兩用艇縱向斜升型尾部外形改變了艇底流場(chǎng)分布，使主艇體與假尾交線附近形成低壓區(qū)域，從而形成較大的尾傾力矩，使得艇體縱傾及升沉加劇，尾部流場(chǎng)興波變得劇烈。與滑行艇相比，假尾的存在增大了兩用艇水面航行的摩擦阻力及興波阻力，最終導(dǎo)致兩用艇總阻力的增大。

4）加裝阻流板可以有效減小兩用艇水面航行總阻力，改善艇體航行性能。通過(guò)研究阻流板不同伸出深度對(duì)兩用艇阻力性能的影響規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，阻流板深度對(duì)于兩用艇的減阻效果存在一個(gè)最佳值，阻流板伸出深度超過(guò)最佳值之后艇體阻力反而有反向增大的趨勢(shì)。