基于CFD 的新型高速艇艇型靜水性能研究

李 巖，柳存根

(1.上海交通大學 船舶與海洋工程國家重點實驗室 上海 200240；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心 上海 200240)

0 引 言

目前主流的高速艇大多為圓舭、尖舭艇或深V 艇，圓舭艇以排水型為主，而尖舭及深V 型多見于高速排水型、過渡型及滑行態，隨著對艦船要求如可工作海況、航速等的提高，圓舭艇由于高航速時阻力性能變差，將無法滿足要求。另一方面雖然尖舭艇高航速下阻力性能相對圓舭艇有較大提升，但高速時艇底受到抨擊作用加劇，導致耐波性受到影響[1]。盡管通過改型后的深V 艇耐波性有所改善，但是其橫向剖面較為尖瘦，艙室容積相對較小，對艦船來說不太有利。因此尋求一種能滿足更多苛刻要求的艇型顯得至關重要。

目前國外三體滑行艇多用于競速艇，國內仍處于研究階段，暫無實艇應用實例。而且由于艇型復雜，無經驗公式或圖譜進行阻力估算，因此考慮CFD 軟件分別對深V 艇及三體滑行艇的靜水性能進行數值模擬，對結果進行比較分析，從而從靜水性能方面研究三體滑行艇的優劣勢及應用前景。

1 模型參數

所設計的三體艇主尺度見表1，三維模型如圖1 所示，深V 艇艇型選取主尺度相近的常見深V 艇艇型。

表1 船型參數Tab.1 parameter of tri-planning

圖1 三體艇三維模型Fig.1 3D model of tri-planning

2 數值方法

通過商業CFD 軟件STAR-CCM+進行數值模擬仿真，并通過自由模法，即開放縱傾與升沉2 個自由度運動，以達到準確模擬模型在靜水中的直航狀態。

2.1 控制方程

為了應對工程中出現的復雜湍流問題的求解，通常采用時均的N-S 方程，也就是RANS 方程，其連續性方程和動量方程為：

式中：ui，uj為速度分量時均值（i，j=1，2，3）；p為壓力時均值；ρ為流體密度；μ為動力粘性系數；ρui′uj′為雷諾應力項。

為使方程組封閉，引入SST 方程來將湍流脈動值與時均值相關聯。

2.2 SST 湍流模型

在結合了k－ω和k－ε湍流模型并考慮了湍流剪應力的運輸特性后，SST 湍流模型能更加準確地模擬預報存在流動分離和逆壓梯度的復雜流動問題，對于三體艇這種片體折角處存在的復雜分離流的模擬有較大優勢。

其中 k的運輸方程為：

ω的運輸方程為：

式中：Gk，Gω為在平均速度梯度作用下的湍流動能的產生；Yk，Yω為 k，ω相關的湍流耗散項。

2.3 運動方程

船模在拖車帶動下前進時，會通過擾動其周圍的流場，從而達到改變船體周圍的壓力場和剪切應力場的作用，其所受的力與力矩為：

船模六自由度控制方程為：

3 CFD 計算結果與分析

根據文獻[2-4]計算的結果與試驗值對比，其結果與實際情況基本一致，說明采用CFD 方法進行阻力預報是可行的。本文數值計算模型縮尺比為1∶5，CFD 軟件采用STAR-CCM+，計算域為一個長方體，其在艇前1 L、艇后3 L、甲板以上1 L、甲板以下2 L、舷側1.5 L，船體周圍以及水線附近設置2 個加密區域，根據文獻[5-7]的方法對船體近壁面采用壁面函數法進行網格加密，所得網格如圖2 所示。由于船左右對稱，為了加快計算速度，只計算左舷一側，計算的阻力值也為一半，在最后數據處理時換算成整船的阻力。

根據船型航態劃分公式

圖2 船體周圍加密區網格Fig.2 Mesh aroud the hull

圖3 三體艇阻力及縱傾角隨航速變化曲線Fig.3 Resistance and trim of tri-planning

圖4 深V 艇阻力及縱傾角隨航速變化曲線Fig.4 Resistance and trim of deep V

計算 3.0≤Fr?≤5.0下的靜水性能，同時增加過渡狀態下2.5≤Fr?≤3.0的數據，2 種艇型的阻力及縱傾角結果分別如圖3 和圖4 所示，各航速下水面興波情況如圖5 所示，艇底壓力分布情況如圖6 所示。

由圖可見，對于所選航速段，三體艇在過渡態阻力及縱傾角有較大的峰值，主要是由于航速較低時，槽道內仍處于被水浸沒的狀態，水流作用于主體及槽道前端，加劇了船體的尾傾程度，另外主體與槽道加大了與水的接觸面積，從而使得摩擦阻力大幅上升，隨著航速的增加，進入滑行態，槽道的存在使得水氣混合物在槽道內不斷堆積，槽道處于通氣狀態，水動力和空氣動力成為支撐船體的主要部分，船體整體抬升，從而導致之后阻力及縱傾角隨著航速的增加而減少，直至 Fr?=4.5左右時阻力值才低于深V 艇阻力值，且此差異將繼續隨著航速的增加而擴大，深V 艇阻力則表現出越過第1 個阻力峰之后的阻力直線上升，也經歷了滑行艇普遍的縱傾角先增大后減小的過程。

圖5 各航速下的興波對比（上為三體艇，下為深V 艇）Fig.5 Free-surface wave comparation(up tri-planning,down deep V)

圖6 艇底壓力分布（上為三體艇，下為深V 艇）Fig.6 Pressure of hull bottom (up tri-planning，down deep V)

從水面興波情況上來看，隨著航速的增加，艇周圍流暢變化比較明顯，特別是尾流的變化，兩者尾流都向中收斂，空穴也隨之邊長，但相較于深V 艇，三體艇由于槽道及片體的存在，吸收了主船體的興波及噴濺，同時由于船體因為水動升力與氣動升力的存在，整體被抬起，從而減小了尾部的興波。

從艇底壓力分布來看，三體艇由艇底滑行面及槽道的水動力及空氣動力來共同支撐艇體，從而減小縱傾改善浮態；深V 艇在類似球首處有明顯的應力集中現象，且主要支撐面處在船中至球首形成的三角區內，流體對這一區域的抨擊較為嚴重，對船體的振動及噪聲都有一定程度的不良影響。

分析上述數據結果可知：

1）在所選航速段內，三體艇在過渡態阻力及縱傾角有較大的峰值，且在 Fr?=4.5時兩者均相較深V 艇有劣勢，從阻力及浮態的結果來看，超高速航速段為三體艇的最佳工作區間。

2）水面興波角度來看，三體艇由于片體及槽道的存在，使得對尾流的影響有較大的改善，且高航速時尾流收斂越明顯，有很高的隱蔽性。

3）船底動壓力分布顯示，三體艇由主體滑行面及槽道共同支撐船體，改善船體的浮態，減小流體對船底的抨擊作用。

4 結 語

在艇型外觀方面，三體艇相對于深V 艇有更大的內部空間及更多的甲板面積，但在阻力及浮態方面，過渡態及大部分滑行態時均不及深V 艇，但是隨著航速的提高將逐漸進入三體艇的優勢工作區間，而且由于槽道及片體的存在，使得三體艇對尾流的影響更小，同時由于底部支撐面更大，在結構上可有效降低噪聲及振動。軍用上，可作為高速無人偵察艇，具有很高的隱蔽性及快速性，同時有利于設備的布置及正常工作，民用上，可作為對舒適性及安全性有很大要求的游艇船型。

本文僅從靜水阻力、浮態、興波及艇底壓力分布方面論證三體艇的可行性，在耐波性上仍需進一步比較，以驗證此船型的實用性。