重心縱向位置對滑行艇阻力影響的數值分析

尹曉青 武 璇 張元浩 仉永超 劉治國

(濰柴重機股份有限公司1) 濰坊 261108) (大連松遼船廠2) 大連 116000)

0 引 言

滑行艇因其航速快、體積小,以及技術要求較低等優點被廣泛用于巡邏船、客船、游艇等船型中[1].而阻力性能影響著滑行艇的實用性與經濟效益,是滑行艇最重要的性能之一.隨著CFD技術的日漸成熟,為滑行艇的水動力性能研究提供了一條效的途徑[2].

滑行艇航行時會產生明顯的尾傾與上升,容易導致網格變形或計算域邊界位移等問題,所以滑行艇靜水繞流場的數值模擬需要考慮特殊的網格技術.重新建模法(rezone &remesh)是預報滑行艇阻力性能的有效的數值方法,該方法求解滑行艇流場的基本過程為:數值計算開始一段時間后根據求解的船體航態調整船體在計算域中的位置和角度,然后重新劃分計算域并重新離散計算域中的網格,不斷重復該過程直至計算收斂[3].Yao等[4]采用重新建模法對一排水型高速船進行阻力計算,數值結果證明該方法可以準確地預報阻力與航態,其中阻力的計算值與試驗值誤差在5%以內.董文才等[5]計算某滑行艇靜水阻力時,采用查潔法結合重新建模法動態計算航態對艇體流場和阻力的影響,提高了計算效率的同時保證了計算結果的準確性.李屺楠等[6]使用重新建模法與重疊網格法對某滑行艇的靜水繞流場進行數值計算,通過對比發現,重新建模法的準確性、數值穩定性以及效率都明顯優于重疊網格法.

由于航態會影響到滑行艇體積長度系數、半進流角、艉部浸深等參數,而這些參數與滑行艇的阻力性能密切相關,所以在設計之初,設計者就會通過合理設計船體重心縱向位置以提高滑行艇阻力性能[7].文中通過船模試驗預報了某滑行艇阻力隨重心縱向位置的變化規律,并基于重新建模法的數值計算結果深入分析了產生這種規律的原因,為工程上總結滑行艇縱傾調整方案提供理論依據.

1 模型試驗

該滑行艇為深V型滑行艇,采用雙折角的設計,并安裝有呆木,防濺條,軸系與尾舵等附體,試驗模型的外形簡圖及模型的量綱一的量化的主尺度見圖1和表1.

圖1 試驗模型外形簡圖

表1 試驗模型的量綱一的量化的主尺度

模型試驗共設置了三種重心縱向位置的方案,并對每個重心縱向位置下Fr▽=1.99～3.697之間 10個航速進行了拖曳試驗,模型試驗在中國特種飛行器研究所高速水池進行,對應的參數如下(規定重心縱向位置船中后為負,尾傾為正,下文的縱傾指尾傾).

表2 試驗方案對應的參數

圖2為該滑行艇阻力、縱傾與升沉的試驗結果.其中阻力用量綱一的量參數升阻比表示:升阻比Rt/Δ,Rt為滑行艇所受的總阻力,kN;Δ為滑行模型的排水量,m3.

圖2 試驗結果

不同航速階段,重心縱向位置對滑行艇的阻力性能有不同的影響:當滑行艇處于過渡階段,重心縱向位置越靠近船尾,升阻比越大;而當進入在滑行階段時,滑行艇重心縱向位置越近船尾,對應的升阻比越小.

2 滑行艇繞流場的數值計算

2.1 物理與數值模型

通過RANS法(reynolds average navier-stokes)進行船舶繞流場數值模擬,控制方程的表達見文獻[8];湍流模型選擇工程上應用最廣泛的SSTk-ω湍流模型;采用壁面函數法處理近壁面的流動;采用VOF法(volume of fluid,VOF)捕捉自由面的流動并結合HRIC(high-resolution interface capturing)格式[9]來處理不混合組分的對流輸運方程.

使用直接動態平衡法[10-11]求解船體航態,即假定航態穩定后船體處于靜態平衡狀態,則船體升沉與縱傾的變化量可用下列方程求解.

(1)

(2)

2.2 計算域與邊界條件

假定滑行艇繞流場關于中縱剖面對稱,取半個流場為計算域.為避免興波在遠場邊界的反射,船后邊界距離船體5倍船長,船側邊界距離船體2倍船長,并在船后與船側邊界設置數值消波阻尼.圖3為計算域的范圍與邊界條件的設置.

圖3 計算域與邊界條件

2.3 離散網格

計算域內主要采用切割體網格,為準確捕捉船體周圍的速度場與壓力場,在船體近域采用六面體密度盒進行局部加密,在自由面附近采用開爾文波形形狀的密度盒對波高方向的網格進行局部加密.船體表面附近采用棱柱層網格,同時控制最內層棱柱層壁面法向高度以滿足壁面函數法對y+值的要求.為避免船底出現異常氣體,需將船體表面網格的網格尺寸加密至船長的9. 0‰范圍以內[12-14].計算域內的網格總數在178萬左右.計算域內網格分布可見圖4.

圖4 計算域網格分布示意圖

2.4 數值方法有效性驗證

采用重新建模法對所有試驗工況的繞流場進行了數值模擬,由于工況較多,所以僅列舉LCG=-10.26%(δθ=0.4°)數值結果與試驗結果,圖5依次為總阻力、縱傾,以及升沉的數值與實驗結果對比.

圖5 數值結果與試驗結果對比

由圖5可知:數值結果與試驗結果吻合良好,升阻比數值結果相對試驗結果的誤差基本上低于5%,航態數值結果相對試驗結果的誤差整體上在10%以內,說明基于重新建模法的高速艇繞流場的數值模擬是可行的,該數值方法的有效性通過驗證.

3 重心縱向位置對阻力影響的數值分析

3.1 重心縱向位置對不同成分阻力的影響

用各成分阻力與排水量的比值表示各阻力成分的無量綱系數,圖6為摩擦阻力與剩余阻力隨體積弗勞德數Fr變化的曲線.

圖6 數值結果

由圖6可知:同一體積弗勞德數下,摩擦阻力隨重心向船尾移動而減小,而剩余阻力則相反,而且在不同航速階段,剩余阻力對重心縱向位置變化的敏感程度不同:過渡階段,剩余阻力對重心縱向位置的變化更加敏感,同一航速下,剩余阻力的最大變化量達到0.2,而在滑行階段,這個值僅為0.03左右.

由此可見,在過渡階段,剩余阻力更易受到重心縱向位置的影響,且總阻力變化規律主要由剩余阻力決定,而滑行階段,剩余阻力對重心縱向位置的變化不敏感,且隨著剩余阻力占總阻力成分的降低,摩擦阻力隨重心縱向位置的變化規律決定了總阻力隨重心縱向位置的變化規律.

3.2 重心縱向位置對船體濕表面積的影響

圖7為船體濕表面積隨體積弗勞德數變化的曲線.

圖7 濕表面積數值結果

由于滑行艇航行時滑行于自由面,只有部分船底與接觸水面,當重心向船尾移動,縱傾增加船首抬起,浸濕面積減小,根據相當平板假定,當航速一定時,摩擦阻力只與浸濕面積有關,所以摩擦阻力隨重心縱向位置的變化規律與濕表面積的變化規律基本一致.

3.3 重心縱向位置對船體興波的影響

圖8為Fr▽=2.370三種重心縱向位置對應的自由面興波示意圖.

圖8 自由面興波示意圖

由圖8可知:重心縱向位置對船尾流場有重要的影響:當重心向后移動,由于縱傾增大時,尾部浸深增加,艇體擠壓水流導致船后破碎發散波系波高增高,增加了船舶近尾流場的能量損耗,因此重心越靠近船尾會增加滑行艇的剩余阻力.

3.4 重心縱向位置對船底壓力的影響

圖9為Fr▽=2.370時三種重心縱向位置船底壓強的分布.

圖9 船底壓強分布示意圖

由圖9可知:在船底與來流之間的擠壓作用下,來流駐點附近形成向舷側延伸的壓力區,且隨著艉傾增大,壓力區的范圍與極值都隨之增大,由于艇底與大氣之間壓力梯度是橫向噴濺現象的主要決定因素,所以重心縱向位置向后移動,尾傾增大,滑行艇的剩余阻力亦隨之增大.

4 結 論

1) 過渡階段,重心越靠近船尾,滑行艇總阻力越大;滑行階段,重心越靠近船尾,滑行艇總阻力越小.

2) 滑行艇的摩擦阻力隨重心向后移動而遞減,剩余阻力則隨重心向后移動而遞增,而且在過渡階段剩余阻力對重心縱向位置的變化更為敏感,滑行階段重心縱向位置變化對剩余阻力的影響不大.這種變化產生的原因有待進一步研究.

3) 重心向后移動會增加船尾流場與橫向噴濺的能量損耗,剩余阻力隨之增加.

4) 在計算航速范圍內,重新建模法在滑行艇靜水阻力預報方面可保證5%的計算誤差,升沉和縱傾角計算結果與試驗結果吻合良好.