基于多塊結構網格的滑行艇巡航時流場研究

吳利紅，劉開周，伍忠凱，徐廣洲

(1. 大連海事大學，船舶與海洋工程學院，遼寧 大連 116026；2. 中國科學院沈陽自動化研究所，機器人學國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016)

0 引 言

滑行艇是高速船舶的一種，主要通過抬升船體，減少排水量，依靠滑行板提供的動升力減小高速航行中的興波阻力達到高速減阻的目的。滑行艇當前主要應用在游艇和無人艇上?；型鄬ΤＲ幣潘痛w而言，其水動力比較復雜，航行時會引起水面興波，尾部“虛長度”的尾流和縱向及橫向的水流飛濺。精確捕捉這種流動現象，以及由此引起的水動力變化和航態變化，是進行滑行艇水動力性能預報，設計布置推進系統的前提。當前關于滑行艇的研究主要是滑行艇的模型試驗[1]，探討艇型改善；滑行艇阻力大小的理論估算和CFD 預報[2-4]，而對滑行艇的流場研究較少，以及考慮流場特性和阻力需求的疊加推進系統的研究較少，本文采用多塊結構網格[5,6]，對某滑行艇進行阻力預報，并詳細分析了其流場特征，最后為其巡航速度配置對應的對轉槳，給出了滑行艇自航推進時的流場特性。

1 數值建模

圖1 ELCO 滑行艇和橫剖線圖Fig. 1 Planning craft and its profile

研究對象選擇ELCO 滑行艇，它是美國戴維.泰洛船模試驗池（DTMB）試驗模型艇的原型艇，三維模型和橫剖線圖如圖1 所示[7]。此艇主尺度為L23.29 m×B4.03 m×D0.896 m，靜止排水量 Δ=45.360 t。此艇為無斷級滑行艇，縱向不設斷級，包含單根折角線，橫剖面為V 型，艇底有一定的斜升角，由首到尾逐步降低，在尾板處其斜升角只有1°～4°，尾部采用方型尾。

對水面船舶進行數值模擬可以采用混合網格（結構化網格和非結構化網格[6]）或多塊結構網格[5]?；旌暇W格具有網格建模快，但是網格數量大，計算精度差的特點。多塊結構網格，網格需要根據流場特征進行網格分區，網格劃分需要大量人工調試，但是其正交性好，網格數量少，計算精度高，尤其能捕捉尾部流場細節。本論文采用多塊結構網格進行滑行艇流域的網格劃分。整個流域分為12 塊，網格在水線面附近進行加密。游艇模型及外流域都采用分區結構網格。為了捕捉滑行艇表面的邊界層流動特性，在滑行艇壁面區域設置邊界層網格，第1 層網格布置在邊界層內，滿足 y+=30 ～500，并以1.2 的冪指數比例增加，總共設置10 層邊界層。同時為了捕捉滑行艇尾部的尾流場，在尾部進行了局部加密。整個計算域的網格劃分如圖2 所示。

2 數值結果分析

滑行艇阻力數值模擬，首先需要確定不同航速的航態?？梢圆捎貌榻Y法和SIT 方法估算滑行艇不同航速的縱傾角，當 Fn?＞1.5時，查結法具有較高的縱傾角計算精度[2]。查結法是通過游艇的艇重、艇速、艇寬、重心到尾板的水平距離、中部及尾部橫向斜升角等已知參數計算船寬傅汝德數、動荷載系數，然后計算縱傾角及浸濕比，進而對縱傾角計及斜升角的影響進行修正，最后獲得不同航速滑行艇的縱傾角，圖3給出不同航速對應的滑行艇縱傾角。

對此滑行艇從低速排水型狀態到高速滑行狀態進行了航行阻力計算，以R_CFD 表示，將計算結果與模型試驗換算得到的試驗值R_test，以及采用查結法理論計算得到的阻力值R_cha 進行對比，如圖4 所示。由圖4 可以看出，滑行艇從排水狀態到全滑行狀態（1 ＜Fn?＜3）之間的過渡階段，阻力曲線呈駝峰形狀，見R_test 曲線。采用數值計算的滑行艇阻力與試驗計算值較接近，尤其是在滑行階段， Fn?≈2.7，誤差在3.5%以內，在排水型航態到過渡階段，阻力計算值相對試驗值偏小，主要是吃水偏小的緣故；高于滑行狀態，阻力計算值相對試驗值也偏小，主要原因可能是高速航行時，滑行艇的龍骨浸濕長度WLK 變大，而折角線浸濕長度WLC 變小，表明滑行艇存在較大的噴濺現象。而當前的數值模擬由于網格精度和計算模型的問題，還不能將噴濺現象捕捉，因此計算結果會出現較大的誤差[8]。而查結法與試驗值對比，在排水型和滑行狀態與試驗值較接近，過渡階段則誤差較大。

圖3 不同航速對應的縱傾角Fig. 3 Trims Vs. velocity

圖4 阻力預報Fig. 4 Resistance prediction

圖5 給出了水面興波，明顯可見由艇尾產生的卡爾文興波現象。圖6 和圖7 分別為滑行艇方尾的空穴和虛長度圖，可以看出方尾相當于延長了船底外板長度，使得流線沿著慣性方向流動，而不是常規的突然收尾的粘性渦流。圖8 和圖9 給出滑行艇航行時舷側流體在折角線處引起飛濺的三維圖和二維圖。圖10 為艇底動壓圖，其中可見明顯的艇中部形成高壓區，由此引起動升力，提供船舶部分重力支撐。

圖5 卡爾文興波Fig. 5 Kalvin wave

圖6 方尾“虛長度”兩相流Fig. 6 Volume of fluid at square tail

圖7 方尾“虛長度”速度矢量圖Fig. 7 Velocity vector

圖8 滑行艇飛濺三維圖Fig. 8 Splash picture in 3D

圖9 噴濺舷側現象二維圖Fig. 9 Splash picture in 2D

圖10 艇底動壓圖Fig. 10 Dynamic pressure of bottom

3 推進系統布置

滑行艇艇尾采用方尾，數值模擬和理論都表明，高速航行時，尾流會存在慣性，不會因為方尾的截斷而在尾部出現漩渦回流，而是隨著流速方向繼續往后傳播，在方尾后方形成一片空流場，類似船體尾部延長的效應，即“虛長度”。這種尾有助于減少阻力，因而滑行艇的尾部推進布置形式不同于常規船型。常規船體其推進系統直接布置在船尾，利用船尾的伴流，提高推進效率。而高速滑行艇，則不應將螺旋槳直接放置在船尾，避免破壞“虛長度”尾流。相應的放置推進器位置有2 種，一種是懸掛機形式，如圖11所示，此時螺旋槳應該置于船底以下一定深度，避免干擾虛長度。另一種是前置傾斜形式。圖12 給出了懸掛式滑行艇配置對轉槳的自航流場特性，可見，當槳懸掛在滑行艇尾下方一定深度，并不影響滑行艇尾部的方尾流場特性。

圖11 外掛機式螺旋槳Fig. 11 Planing craft with outboard CRP

圖12 滑行艇外掛對轉槳自航流場Fig. 12 Flow field of planning craft in self-propulsion with a CRP

4 結 語

本文進行ELCO 滑行艇的水動力性能研究。將數值計算結果與理論查結法和試驗方法進行了對比。明確了數值方法能較準確預報滑行艇的航態和滑行阻力，尤其是接近滑行時的阻力預報，其誤差只有3.5%。表明CFD 能準確估算出滑行艇的航速。但是根據計算的經驗，其中重心深沉位置的準確性（吃水會隨著航速改變）直接影響到數值計算的精度。其次給出了滑行艇在滑行時的流動特征，數值模擬再現了滑行艇方尾“空穴”，“虛長度”以及高速噴濺現象。最后給出具有方尾特征的高速艇體其對轉槳外掛布置形式，并分析了其自航的流場特征。可以看出，外掛對轉槳并沒有破壞方尾流場特性。