帶阻流板的高速深V艇減阻機理研究*

朱 鋒 陳嘉偉 何術龍 倪其軍

(中國船舶科學研究中心1) 無錫 214082) (武漢理工大學交通學院2) 武漢 430063)

0 引 言

深V快艇具有制造工藝簡單、耐波性優異、航向穩定性好等特點，但其航行過程中縱傾角變化劇烈.過大的縱傾角將影響艇的起滑，增大阻力峰的值，甚至出現起滑難等問題，過大的縱傾還會影響駕駛員的視野，存在一定的安全隱患.目前一般通過安裝艉楔、固定式壓浪板和可調式壓浪板等節能附體來改善艇尾流場[1]，調節航行姿態，進而提高其航行性能.阻流板系統是一種新型的航行性能改善裝置，一般也可稱作擾流器、艉插板、攔截器等，其比壓浪板更加高效，且還可通過兩側板的動態差動控制來實現減小橫搖、縱搖、轉彎半徑和轉彎時的向心減速度[2].不同的阻流板伸出長度和船舶所處的航速段范圍是影響阻流板減阻性能的主要因素，合適的阻流板伸出長度可以有效降低船舶航行阻力，同時調整航態.然而當阻流板伸出長度過大時，也會使船舶產生埋首現象，從而增大阻力[3-4]，因此，需對阻流板不同伸出長度下深V快艇的水動力性能進行分析研究.

利用CFD技術預報高速滑行艇阻力性能時，還存在預報精度低等問題[5].文中對某高速深V快艇的阻力數值計算方法進行研究，從計算區域大小、網格數量和湍流模型三個方面確定該深V快艇的阻力數值計算方法.在該方法的基礎上對過渡段和滑行段兩個典型狀態下，不同阻流板伸出長度下的阻力性能及運動姿態進行預報.結合自由面興波和艇體表面壓力分布來對阻流板的減阻機理進行分析，最終獲得該艇阻力性能最優所對應的阻流板最佳伸出長度值.

1 數學模型及數值求解方法

1.1 數學模型與數值方法

采用目前工程實際中應用最廣泛的RANS方法進行數值模擬[6-7], RANS方法還需引入湍流模型來封閉該方程.動量方程采用有限體積法(FVM)進行離散[8]，離散格式采用二階迎風差分格式，擴散項采用中心差分格式，代數方程的求解使用的是Gauss-Seidel迭代方法[9-10].選用流場中經典的SIMPLE算法處理壓力速度耦合問題.

采用上述數值計算方法的基礎上，從計算區域大小、網格數量及湍流模型這三個方面對某深V快艇進行數值計算方法研究.

1.2 計算區域大小敏感度分析

計算區域選擇的越大，計算模型越接近于無界擾流的情況，但同時也意味著計算量越大，計算所需的計算機硬件性能越高，計算效率(經濟性)越低；計算域選擇過小，計算所需的邊界條件以及由此得到的計算結果就難以與無界擾流的情況相一致[11-12].

為了確定計算域大小，定義計算域大小因子F，其以船長L為基準單元，計算域向船首前方、船尾后方以及船垂直方向以及船寬方向延伸的距離與船長L的比值.圖1為計算域示意圖，其中：L3=10L1=5L2=5L5=20L4.

圖1 計算區域示意圖

主要計算參數如下：模型雷諾數Rem=1.452×107，模型體積弗勞德數Fr=2.832，湍流模型選擇SSTκ-ω.表1為該高速深V快艇靜水阻力計算結果.結果表明，當計算域大小因子F≥1.3后，計算結果趨于穩定，因此，確定計算域大小因子F=1.3.

表1 計算域大小對水動力計算結果影響

1.3 網格數量敏感度分析

圖2 三套網格示意圖

表2為不同網格數量在相同計算資源下(25個核)的計算結果與計算耗時.從中可以看出：網格數量在170萬以后，計算結果已趨于穩定；且第三套網格的計算時間是第二套網格的4倍多，但精度收益微小，所以選擇第二套網格(170萬)作為后續數值計算的網格數量.

表2 三套網格的水動力數值計算結果

1.4 湍流模型選取分析

文中采用標準κ-ω、SSTκ-ω、標準κ-ε這三種不同的湍流模型進行分析，時間差分格式統一設定為2階，動量差分類型統一設定為Super-bee形式，獲得了不同的數值計算結果，見表3.

表3 不同湍流模型數值計算結果與試驗結果對比

由表3可知，三種不同湍流模型的計算結果不盡相同，根據水池試驗結果對比分析可知，采用SSTκ-ω湍流模型所獲得的計算結果與水池試驗值更接近，誤差更小，因此，確定選擇SST湍流模型.

通過上述研究，確定了高速深V快艇的阻力數值預報方法，具體如下：采用SST湍流模型、網格數量170萬(半模)、計算域大小因子F=1.3.從與模型試驗結果對比可知，該數值計算方法計算穩定、精度高，誤差在2%～6%，滿足工程預報要求，可以作為阻流板機理研究的方法基礎.

2 阻流板減阻機理分析

2.1 阻流板外形方案確定

以上文中的高速深V快艇為研究對象，將阻流板安裝在主船體尾封板下沿.阻流板的主要作用為調節深V快艇航行姿態、改善航行阻力，故將阻流板安裝于艇尾封板1/4艇寬處，安裝位置示意圖見圖3.阻流板尺寸根據本艇主尺度按照某公司產品選型進行初步設計，阻流板長為450 mm，可伸縮長度為100 mm，將可伸縮長度以10 mm為一檔，分為10檔進行數值計算.

圖3 阻流板安裝位置示意圖

2.2 數值計算結果

阻流板減阻效果受到兩個因素的影響：阻流板的伸出長度和快艇的航行速度.為了使計算更加高效和更具針對性，選取兩個典型航速進行分析.一個為過渡狀態航速17.5 kn，對應體積弗勞德數Fr=1.982，在該航速下模型阻力出現第一個峰值，對應縱傾角也最大；另一個為準滑行狀態25 kn，對應體積弗勞德數Fr=2.832.

按照阻流板10%H伸出長度為一檔分別進行計算，表4～5為取航速Vs=17.5和 25 kn時阻流板不同伸出長度下模型阻力與運動姿態計算結果.

表4 阻流板不同伸出長度下模型阻力與運動姿態計算結果及對比(Vs=17.5 kn)

表5 阻流板不同伸出長度下模型阻力與運動姿態計算結果及對比(Vs=25 kn)

由表4～5可知，合適的阻流板伸出長度對深V快艇的減阻起到積極作用，隨著阻流板伸出長度的增加，深V快艇的阻力收益大致呈現出先增大、后減小的趨勢.同時，兩典型航速下，該深V快艇的縱傾角均得到改善，最佳減阻方案對應的航行縱傾角均在6°左右.當Vs=17.5 kn時，計算模型在不同阻流板伸出長度下均實現減阻，當阻流板伸出長度為40%H時，模型阻力值較光體阻力值減小了13.54%，深沉值增大了17.45%，縱傾角由原來的7.71°降為5.95°，減小了22.81%；當Vs=25 kn時，阻流板伸出長度為10%H、20%H和50%H三個狀態下有減阻效果，當伸出長度為10%H時，阻力值減少最多，為3.84%，對應深沉值減小了4.34%，縱傾角減小了6.96%，其余不同伸出長度下的阻力值均未減小，并且隨著伸出長度的增大，阻力值呈現先減后增的趨勢.

2.3 阻流板減阻機理分析

在總阻力系數方面，總阻力系數CTM由摩擦阻力、興波阻力及壓差阻力三部分組成，該艇在17.5 kn時的雷諾數已經越過臨界值，假設此時摩擦阻力系數隨著航速的增大基本不變.考察典型航速17.5和25 kn時，阻流板最佳伸出長度下自由面興波和艇體表面壓力分布的變化情況.

圖4為過渡狀態與滑行狀態下艇體兩側自由面興波示意圖，在兩個典型狀態下，阻流板的安裝都可以改善艇體自由面興波，對艇體兩側波浪飛濺起積極作用，從而降低了興波阻力.

圖4 兩典型航速下艇體兩側自由面興波圖

圖5為兩典型航速下艇艉波形圖，由圖5可知，在安裝阻流板后，雞尾流高度降低，船舶的虛長度邊長，這也一定程度降低了總阻力系數.

圖5 兩典型航速下艇艉波形圖

圖6為過渡狀態與滑行狀態下艇底壓力分布，艇艉阻流板的安裝對水流存在阻礙作用，在阻流板附近壓力突變，形成一個正壓區，導致壓差阻力增大.

圖6 兩典型航速下艇底壓力分布圖

在濕面積方面，由表4～5可知，兩典型航速下模型縱傾角及濕面積隨阻流板伸出長度變化規律，由表可知，隨著阻流板伸出長度的增加，艇體浸濕面積大致呈現出單調遞增的趨勢，由于浸濕面積與艇體的航行姿態密切相關，根據縱傾角隨伸出長度變化情況來看，伸出長度越大，對應縱傾角越小，艇體首部浸濕面積就越大.

3 結 論

1) 基于RANS方程的數值計算方法預報精度較高，能夠滿足方案設計階段對深V高速艇的預報需求.

2) 相對于高速艇處于滑行狀態，阻流板在高速艇處于過渡狀態時減阻效果更加明顯，合適的阻流板伸出長度可以大幅降低模型總阻力峰值，使艇的起滑更容易.

3) 阻流板的使用增大了艇體的濕面積，但減小了阻力系數，在合適的伸出長度情況下，阻力系數減阻的收益大于濕面積增加導致的阻力增大，起到了減阻效果.

4) 在總阻力系數方面，阻流板將引起艇尾部壓差阻力的增大，但可降低興波阻力，由于興波阻力的減小值較壓差阻力的增大值要大，因此總阻力系數依然得到降低，且阻流板減小了船艉雞尾流高度，增加了船舶的虛長度.

5) 阻流板的減阻機理主要是通過改變艇體壓力分布，改善航行姿態，降低興波、減小艇體兩側飛濺阻力、增加船舶虛長度，進而降低剩余阻力來實現.