多孔擋板參數對氣墊船內部流場的影響研究

吳靖恒 李高強 焦俊

第一作者簡介：吳靖恒（1996-），男，碩士，助理工程師。研究方向為水動力仿真計算。

*通信作者：焦俊（1988-），男，高級工程師。研究方向為水動力仿真計算。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.015

摘? 要：氣墊船具有囊孔尺寸較小、數量較多和圍裙厚度較薄的特點。為解決囊孔和圍裙對仿真計算效率和結果的不利影響，研究多孔擋板在氣墊船內部流場仿真計算中的應用方法，得到部分多孔擋板參數對氣墊船內部流場的影響規律。結果表明，采用多孔擋板模型計算的墊壓最大誤差為6.0%，囊壓最大誤差為3.7%，證明多孔擋板模型能夠較好的模擬囊孔區域。經過對比4種多孔擋板區域面積和4種多孔擋板區域個數仿真結果得到，在一定范圍內，多孔擋板區域面積的越小，囊壓越大，墊壓越小；而多孔擋板區域個數越多，囊壓越小，墊壓基本不變。

關鍵詞：多孔擋板；氣墊船；內部流場；數值模擬；參數評估

中圖分類號：U674.943? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0070-05

Abstract： The hovercraft is characterized by small size， large number of holes and thin apron thickness. In order to solve the adverse effects of capsule holes and aprons on the simulation efficiency and results， the application method of porous baffle in the simulation calculation of hovercraft internal flow field is studied， and the influence rules of some porous baffle parameters on hovercraft internal flow field are obtained. The results show that the maximum error of cushion pressure calculated by the porous baffle model is 6.0%， and the maximum error of capsule pressure is 3.7%， which proves that the porous baffle model can better simulate the capsule pore area. By comparing the area of four kinds of porous baffles and the number of four kinds of porous baffles， the simulation results show that， in a certain range， the smaller the area of porous baffles is， the greater the capsule pressure is and the smaller the cushion pressure is， while the more the number of porous baffles is， the smaller the capsule pressure is.

Keywords： porous baffle; hovercraft; internal flow field; numerical simulation; parameter evaluation

氣墊船是一種依靠靜態空氣壓力支撐且速度較高的高性能船舶[1]。其原理是利用墊升風機將氣體吹入船體和柔性圍裙共同形成的氣墊之內，使船體全部或部分脫離支撐面。因此，圍裙系統、氣墊系統以及剛性船體系統是氣墊船的3個重要系統[2]。目前研究中很少同時考慮圍裙系統中氣囊壓力分布、氣墊系統中氣墊壓力分布和剛性船體系統運動。其中有2個原因較為關鍵：一是囊孔尺寸相較船長較小，數量較多；二是圍裙厚度較薄。這就意味著數值仿真時囊孔處的網格尺寸會對仿真計算效率及精度產生不利影響。為解決這些問題，王紹明等[3]采用了多孔介質模型進行近似，針對氣囊前后端壓力不平衡的問題進行優化；尤忠強[4]利用多孔介質模型對氣墊船的內部流場進行了分析及優化等。上述文獻采用的多孔介質模型雖然能實現囊孔區域的簡化，但由于參數設置不能忽略圍裙厚度。為進一步提高計算效率和精度，本文基于多孔擋板模型，忽略圍裙厚度，計算氣墊船在剛性地面穩定后的內部流場壓力大小及分布，研究多孔擋板面積和區域個數對氣墊船內部流場的影響，為計及內部流場變化的氣墊船運動響應相關研究提供參考。

1? 數值模擬方法

氣墊船的運動受到圍裙、氣墊和自由面興波等多種因素的影響。為減少研究對象外的因素對計算結果的影響，本文忽略圍裙的運動和變形，將其視為剛性邊界，同時僅考慮在剛性地面穩定后的工況，不考慮空氣壓縮性對氣墊船運動的影響。

1.1? 數值方法

質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程三大守恒方程是流體力學研究的最基本控制方程[5]。母型船在低速運動時，設計氣墊壓力為大氣壓強的2%左右。假設溫度不變，那么因流體壓縮性導致的氣墊體積變化很小[6]。因此本文采用三維不可壓縮歐拉模型，且不涉及散熱分析，那么計算域流體應滿足以下2個方程。

1）粘性不可壓縮流體連續性方程

2）粘性不可壓縮流體動量守恒方程

式中：u、？淄、w為直角坐標系中x、y、z方向上的速度分量；μ為流體的動力粘性系數，N·s/m2；P為流體壓力，N；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；t為時間，s。

1.2? 幾何模型

本文以某22客位全墊升氣墊船作為研究對象。對其進行2個方面的簡化：①本文研究內容不涉及上層建筑，因此可將上層建筑忽略；②囊指的尺寸較小，數量較多，如果逐個建立和現實一樣的模型不僅浪費時間和資源，對計算結果的準確性也沒有很大的改善。因此簡化后仿真模型如圖1所示。

圖1? 某全墊升式氣墊船三維示意圖

本文對簡化后的模型進行部分參數整理并進行理論計算。以下為部分關鍵參數的計算結果。氣墊船在穩態時應符合基本的靜力學關系，船體所受的支撐力、氣墊船底部表面壓縮空氣的合力和重力的值應該相同，因此可將氣墊船重力與氣墊區域面積的比值等效為氣墊壓力Pc，即

式中：L為氣墊長，m；B為氣墊寬，m；R為首圓半徑，m。

當氣墊船穩定后，氣墊壓力Pc和泄流壓力Pq平衡，那么可根據氣墊壓力計算泄流流量Qc，即

式中：k為氣墊空氣泄流系數，在0.5～0.6的范圍內，通常取0.56[7]；ρ為空氣密度，kg/m3；Ac為泄流面積，m2；Lc為氣墊周長，m；hc為墊升高度，m。根據上述內容可得氣墊船模型剛性地面墊升基本參數見表1。

表1? 氣墊船模型墊升參數

2? 仿真計算結果驗證

2.1? 計算域和邊界條件

模型為左右對稱結構，因此可以取半模進行網格劃分和計算，相應的半模計算域總長為5 L（L為模型長度），船首距前邊界和船尾距后邊界均為2 L，計算域總高和總寬均為1 L，模型距離下邊界為0.026 4 m。

進行邊界條件設置時，下邊界設置為壁面，內邊界設置為對稱平面，前、后、上、外4個邊界均設置為壓力出口，模型壁面設置成無滑移邊界，進氣口設置為速度入口（圖2）。

2.2? 網格相關性驗證

根據上文結果建立相應的計算模型，在設置完相應的邊界條件和參數后，運行至結果穩定下來。本節中所涉及的氣囊壓力為氣囊中剖面的平均壓強，而氣墊壓力則為氣墊底面的平均壓力。那么3個網格尺度內部流場云圖基本相似，如圖3所示。

結合對應的理論計算結果進行對比分析和誤差分析，其結果和誤差見表2。

表2? 各網格尺度的參數計算結果

由表2可知，3種網格尺寸對氣墊船內部流場仿真計算結果的影響并不是很大。為了同時兼顧計算速度和計算精度，本文之后均采取適中的網格尺寸作為參考。

3? 多孔擋板參數對氣墊船內部流場的影響

一般來說，氣墊船的囊孔眾多且相對整個圍裙來說較小，同時氣墊船的排氣原理和多孔介質的性質大致相同，如果氣動參數及流量系數設置合理的話，多孔介質模型可以很好地模擬現實中氣墊船的墊升系統中相對應的部分。此外，圍裙的厚度相較于船長很小，可以忽略不計，因此仿真計算可采用多孔擋板模型進一步簡化計算模型提高計算效率。多孔擋板重要參數有以下3個：孔隙率ε、多孔慣性阻力α和多孔粘性阻力β。孔隙率ε為囊孔面積和多孔擋板區域面積的比值，而多孔慣性阻力和多孔粘性阻力則可利用以下公式計算

式中：ρ為流體密度，kg/m3，V為穿過多孔擋板區域表面的平均流速，m/s。通過對囊孔模型進行仿真計算，得到不同流速下的壓力變化及相應的擬合曲線，即可得出多孔慣性阻力α和多孔粘性阻力β。

3.1? 多孔擋板區域面積對內部流場的影響

以囊孔所在曲面作為基礎，共分析如圖4所示4種不同多孔擋板區域面積Ap對內部流場的影響，所有囊孔均包含在多孔擋板區域內。

當多孔擋板區域面積不同時，相應的孔隙率也不相同。結合網格無關性結論及相應算例，調整不同的進口速度，得到不同流速下的壓力變化及相應的擬合曲線如圖5所示，對應各參數見表3。

參考網格無關性算例，計算4種多孔擋板區域面積下的內部流場，得到仿真計算結果基本類似，此處僅展示Ap=9.49 m2囊壓、墊壓分布云圖如圖6所示，與囊孔算例計算結果對比見表4。

根據表3可知，多孔擋板區域面積越大，多孔慣性阻力越大，但多孔粘性阻力規律不明顯，曲線擬合程度基本一致。從圖6和表4可知，多孔擋板模型能夠很好地計算氣墊船內部流場，墊壓最大誤差為6.0%，囊壓最大誤差為3.6%。囊壓、墊壓均大于相同工況下采用囊孔的算例。此外，多孔擋板區域面積越小，氣墊壓力越小，氣囊壓力越大，囊壓比越接近囊孔算例。

圖5? 不同區域面積的壓力變化擬合曲線

表3? 不同多孔擋板區域面積計算參數

3.2? 多孔擋板區域分布個數對內部流場的影響

以囊壓比與囊孔最接近的Ap=9.49 m2作為基礎，將多孔擋板區域（半模）按個數分為1、3、5、7共4種區域分布，如圖7所示。

每個區域的孔隙率、多孔慣性阻力和多孔粘性阻力均需根據各自的囊孔分布情況進行計算，參考網格無關性算例，得到不同區域在不同流速下的壓力變化和相應的擬合曲線如圖8所示，相應各區域阻力參數見表5。

4種多孔擋板區域分布個數的數值計算結果基本一致，此處僅展示7個多孔擋板區域時的囊壓墊壓分布云圖如圖9所示，與上一節中的計算結果對比見表6。

由表5可知，除受封閉尾囊影響的尾部轉角區域外，大部分區域離進氣口越遠，曲線擬合越差，多孔慣性阻力越大，而多孔粘性阻力規律并不明顯。從圖9和表6可知，不同多孔擋板區域個數對計算氣囊氣墊平均壓力有很大影響，區域個數越多，囊壓墊壓均越接近囊孔算例，囊壓比的規律則與之相反，其原因在于不同多孔擋板區域個數對氣囊壓力的影響遠大于對氣墊壓力的影響。

表5? 不同多孔擋板區域個數計算參數

圖9? 7個多孔擋板區域時的囊壓、墊壓分布云圖

表6? 不同多孔擋板區域個數計算結果對比

多孔擋板模型也存在一些問題，氣囊壓力云圖基本接近囊孔算例，但氣墊壓力云圖相差較大，圖10為氣墊船中縱剖面氣墊壓力沿船長方向分布曲線。根據圖10可以看出，多孔擋板模型氣墊壓力分布較為均勻，沒有很好地將首尾墊壓差體現出來，而這種壓力差在實際情況中會對氣墊船運動姿態存在很大影響，因此在以氣墊船姿態響應為主要研究對象的情況下還需進一步深入研究。

圖10? 氣墊壓力沿船長方向分布曲線

4? 結論

本文基于CFD方法，提出了一種利用多孔擋板模型模擬氣墊船內部流場的方法，對多孔擋板區域面積和分布個數進行了研究，得到以下結論。

1）與囊孔模型對比，多孔擋板模型墊壓最大誤差為6.0%，囊壓最大誤差為3.7%，證明該方法的可行性。

2）當僅有一個多孔擋板區域時，區域面積越小，氣墊壓力越小，氣囊壓力越大，相應的囊壓比越接近囊孔算例。

3）當多孔擋板區域面積一定時，區域個數對氣墊壓力影響較小，氣囊壓力會隨區域個數的增多而減少，相應的囊壓比越小。

4）與囊孔模型對比，多孔擋板模型得到的囊壓和墊壓普遍偏大，囊壓分布比較接近，但墊壓首尾差異沒有較好體現，對于以墊壓分布為主要研究對象的情況下還需深入研究。

參考文獻：

[1] 王軼賡.高性能船總體性能計算方法研究[D].大連：大連理工大學，2014.

[2] 熊英蕾.氣墊船墊升性計算與分析[J].船舶工程，2020，42（S1）：78-79，258.

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[4] 尤忠強.全墊升式氣墊船內部流場的數值模擬與優化研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2018.

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[6] 楊祥俊，諸葛凌波，顧孟瀟，等.基于重疊網格的全墊升式氣墊船墊升運動數值模擬研究[J].中國造船，2022，63（3）：20-30.

[7] 李桂春，李錚捷.氣墊船氣囊與氣墊[M].北京：國防工業出版社，2011.