新型高速艇的CFD模擬和對比分析

魏子凡，井升平，楊松林

江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003

新型高速艇的CFD模擬和對比分析

魏子凡，井升平，楊松林

江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003

高速艇具有體積小、航速高、智能等優(yōu)點(diǎn)，可以完成搜救、探測、導(dǎo)航和作戰(zhàn)等多種任務(wù)，廣泛應(yīng)用于軍民用領(lǐng)域。研究高速艇的阻力性能對艇體的型線設(shè)計(jì)和艇體的流體動力學(xué)性能分析都顯得十分重要。設(shè)計(jì)一種新型高速艇，通過NUMECA系列軟件對不同的高速艇進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以研究此類新型高速艇的水動力性能。研究表明：加裝水翼或防飛濺條均可增加艇體的升力，使艇體更快地處于滑行狀態(tài)，安裝了防飛濺條的翼滑艇的阻力性能良好。

高速艇；CFD模擬；阻力性能；防飛濺條；水翼

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160729.0945.008.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：魏子凡，井升平，楊松林.新型高速艇的CFD模擬和對比分析［J］.中國艦船研究，2016，11（4）：22-28.

WEI Zifan，JING Shengping，YANG Songlin.CFD simulation and comparison analysis of a new type high-speed boat ［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（4）：22-28.

0　引　言

高速艇由于航速高的特點(diǎn)，以及艇上可以安裝雷達(dá)、聲吶、攝像機(jī)等武器設(shè)備，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍民用領(lǐng)域。另外，隨著作戰(zhàn)方式的變革以及電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，未來戰(zhàn)場將主要使用無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，因此各國越來越重視對水面高速無人艇的研究，高速艇將是海洋作戰(zhàn)的重要途徑和探索海洋的重要工具［1-4］。

數(shù)值模擬作為一種新興和有效的工具，可以有效地提高具有復(fù)雜系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)效率［5］。研究船舶的水動力性能時(shí)，經(jīng)常使用模型試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式估算和數(shù)值計(jì)算方法，但經(jīng)驗(yàn)公式估算存在精度和適用性問題，模型試驗(yàn)存在成本和試驗(yàn)環(huán)境等問題，而數(shù)值計(jì)算方法可以科學(xué)、真實(shí)地模擬計(jì)算船舶運(yùn)動的情況，避免了試驗(yàn)的局限性。因此，隨著數(shù)值計(jì)算方法的不斷成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬將成為船舶水動力性能分析的重要手段，并得到廣泛應(yīng)用。本文將使用NUMECA系列軟件對不同工況的4種高速艇進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究新型高速艇的水動力性能，并進(jìn)行阻力分析。

1　幾何建模

本文主要介紹一種新型無人翼滑艇的設(shè)計(jì)過程，對有8種不同規(guī)格防飛濺條的滑行艇以及4種艇型進(jìn)行幾何建模，包括：滑行艇、有防飛濺條滑行艇、翼滑艇和有防飛濺條翼滑艇。設(shè)計(jì)的新型高速艇是指有防飛濺條的新型無人翼滑艇，相比一般的高速艇，翼滑艇的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。表1所示為船模主尺度。表2所示為在船?；A(chǔ)上放大4倍所得的實(shí)艇參數(shù)。CFD阻力計(jì)算的海水密度為1 026.021 kg/m3。

表1　船模主尺度Tab.1　Model specifications

1.1防飛濺條設(shè)計(jì)

為改善滑行艇的性能，通常采用一些特殊艇型，例如斷級艇和槽道滑行艇等。無論是軍用還是民用，對滑行艇的適航性要求越來越高，這些特殊形狀的艇型往往難以滿足要求。

1）舭防飛濺條。防飛濺條在高性能艇的兩側(cè)安裝，一般呈帶狀或條狀，起到抑制水花噴濺，增加滑行面寬度的作用，也可以適當(dāng)降低艇體受到的興波阻力，增強(qiáng)艇體的穩(wěn)性。研究表明：在折角型艇的折角線位置安裝適當(dāng)?shù)姆里w濺條，無論對控制飛濺性能或增大艇體底面的升力效應(yīng)都有一定影響［6］。根據(jù)科爾貝的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)向下傾斜的舭防飛濺條具有較小的15°傾角時(shí)，其抑制噴濺的能力反而比有較陡的45°傾角時(shí)要好［7］。因此，本文設(shè)計(jì)的防飛濺條采用15°傾角，如圖1所示。

圖1　防飛濺條剖面圖Fig.1　Cross-section profile of splash-proof strip

2）設(shè)置防飛濺條。在1.5 m船?；A(chǔ)上，為滑行艇折角線處安裝的防飛濺條設(shè)置了8組不同規(guī)格，如表3所示。以表中型號22-46為例，0號站防飛濺條寬（前寬）22 mm，5號站防飛濺條寬（后寬）46 mm，0～5站防飛濺條寬呈等差數(shù)列。圖2為型號22-46的防飛濺條三維視圖。

表3　8種防飛濺條尺寸Tab.3　Size of eight kinds of splash-proof strip

圖2　防飛濺條三維模型Fig.2　Three-dimensional view of splash-proof strip

1.2新型高速艇設(shè)計(jì)

在1.5 m船?；A(chǔ)上，于艇艏部安裝了一個水翼，水翼剖面形狀為平凸弓型，平面形狀為矩形翼。為了保證艇的運(yùn)動穩(wěn)定，確保良好的推進(jìn)性能和構(gòu)造簡單，選用全浸式水翼。共選取64種不同幾何尺寸的水翼，水翼剖面相對厚度一般在0.04～0.09之間，選取0.07。水翼支柱選取剖面形狀為NACA 0012的翼型剖面。弦長為水翼弦長的4/5。水翼展長與艇寬比值選取0.5，0.55，0.6，0.65。水翼展弦比選取5，6，7，8。水翼攻角選取0.5°，1°，1.5°，2°。

圖3所示為滑行艇和翼滑艇的三維模型。翼滑艇艏部安裝的水翼展長與艇寬比為0.5，展弦比為7，攻角為0.5°，水翼位置距艇艏0.2倍艇長，水翼相對浸深為2。為進(jìn)一步改善滑行性能，在翼滑艇的兩側(cè)安裝了防飛濺條，如圖4所示。

圖4　安裝防飛濺條的新型翼滑艇三維模型Fig.4　Three-dimensional view of the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip

2　數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是指依靠電子計(jì)算機(jī)，結(jié)合有限元或有限容積的概念，通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法來研究工程等各類問題。進(jìn)行數(shù)值模擬的第一步要建立能反映問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型［8］。現(xiàn)代數(shù)值模擬計(jì)算通過參數(shù)的精確設(shè)置已經(jīng)可以接近真正的試驗(yàn)，隨著計(jì)算方法的進(jìn)步，數(shù)值模擬的水平會越來越高，效果也會越來越逼真［9］。

CFD作為一種結(jié)合了近代流體力學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的計(jì)算流體動力學(xué)軟件，以電子計(jì)算機(jī)為計(jì)算工具，綜合多種離散化的數(shù)學(xué)方法，可以對流體力學(xué)問題進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬、數(shù)值實(shí)驗(yàn)和分析研究來解決各種實(shí)際問題。CFD軟件的結(jié)構(gòu)一般由前處理、求解器和后處理3部分組成。

FINE/Marine是一款由NUMECA公司為船舶與海洋工程設(shè)計(jì)的CFD軟件包，圖5所示為主要軟件構(gòu)成與操作流程。由圖可知，該軟件包括了網(wǎng)格生成器HEXPRESS、后處理工具CFView和不可壓粘性流場求解器ISIS-CFD。對于船舶工程問題的模擬都可以通過使用FINE/Marine界面的設(shè)置計(jì)算實(shí)現(xiàn)，無需通過二次開發(fā)功能，這為工程師提供了極大的方便［10］。

圖5　FINE/Marine的主要軟件構(gòu)成與操作流程Fig.5　Composition and operation process of FINE/Marine software

本文CFD數(shù)值模擬的計(jì)算速度設(shè)置如下：艇體從靜止?fàn)顟B(tài)以1/4正弦加速，在1 s時(shí)達(dá)到設(shè)定航速，然后勻速航行。首先，指定初始速度V0，初始時(shí)間t0。然后，以1/4正弦曲線加速至指定時(shí)刻t1，達(dá)到指定航速V1。最后，以V1勻速航行。

2.1網(wǎng)格劃分

圖6和圖7所示分別為HEXPRESS生成的新型高速艇的整體網(wǎng)格和局部網(wǎng)格。

圖6　新型高速艇的整體網(wǎng)格圖Fig.6　Overall grid map of a new type of high-speed boat

圖7　新型高速艇的局部網(wǎng)格圖Fig.7　Local grid map of a new type of high-speed boat

2.2后處理

后處理過程由數(shù)值模擬和數(shù)值分析兩個部分組成。數(shù)值模擬過程，指將網(wǎng)格模型的每個面以數(shù)值形式表現(xiàn)，包括分析處理幾何區(qū)域的選擇、幾何面激活、網(wǎng)格面選擇、流場參數(shù)選擇、流面構(gòu)建、坐標(biāo)系創(chuàng)建等操作。數(shù)值分析過程，指要輸出所激活面上的參數(shù)，對選定幾何區(qū)域的流場參數(shù)進(jìn)行分析。矢量分析的相關(guān)內(nèi)容包括體流線、面流線、矢量場和矢量積分等。標(biāo)量分析的相關(guān)內(nèi)容包括云圖、等值線圖、質(zhì)量加權(quán)平均、面積平均，以及沿曲線曲面積分和標(biāo)定任意點(diǎn)值等。

圖8～圖11為帶有防飛濺條型號46-22的翼滑艇壓力云圖，該模型各參數(shù)見1.2節(jié)和圖3。從圖8中可以看出，防飛濺條處的壓力較大，且圖8（b）的滑行面較圖8（a）小。從圖9中可以看出水翼上的壓力較大，且圖9（b）滑行面比圖9（a）的滑行面小。圖10示出了艇體運(yùn)動時(shí)水線面處的壓力云圖和壓力等值線分布圖。從圖11可以看出，當(dāng)有防飛濺條的翼滑艇進(jìn)入滑行狀態(tài)時(shí)，主要由水翼提高升力。

從以上4種艇體在V=10 m/s相同速度下的滑行面來看，有防飛濺條的翼滑艇滑行面最小，其次是翼滑艇，再其次是有防飛濺條的滑行艇，最后才是滑行艇。因此，防飛濺條的設(shè)計(jì)和水翼都可以有效地加快艇體進(jìn)入滑行狀態(tài)。

圖8　滑行艇底面壓力云圖（V=10 m/s）Fig.8　Pressure distributions on the bottom of planing boat （V=10 m/s）

圖9　翼滑艇底面壓力云圖（V=10 m/s）Fig.9　Pressure distributions on the bottom of gliding-hydrofoil craft（V=10 m/s）

圖10　有防飛濺條的翼滑艇水線面處的壓力云圖和等值線分布圖（V=10 m/s）Fig.10　Pressure distributions and contours on the water-plane of gliding-hydrofoilcraftwith　splash-proofstrip （V=10 m/s）

圖11　有防飛濺條翼滑艇的側(cè)面壓力云圖（V=10 m/s）Fig.11　Pressure distributions on the side of gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip（V=10 m/s）

3　阻力分析

3.1不同防飛濺條的比較

針對型號0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js的水翼對比分析了不同防飛濺條，其中0.5b表示水翼展長為0.5倍的艇寬，7zxb表示水翼展弦比為7，0.5du表示水翼攻角0.5°，0.2L表示水翼位置距艇艏0.2倍艇長，2js表示水翼相對浸深為2。分析結(jié)果如圖12和圖13所示。圖中：Fx，F(xiàn)xv，F(xiàn)z分別為單位排水量下的總阻力、摩擦阻力和升力；G為重力。表4為分析得到的不同型號防飛濺條在V=10 m/s時(shí)的最大升力與重力比值（Fz/G）。

從表4所示最大升力重力比可以看出，當(dāng)體積傅汝德數(shù)（Fr▽）達(dá)到2.86時(shí)艇體已經(jīng)處于滑行狀態(tài)。由圖12可以看出，艇體加速時(shí)單位排水量升力和單位排水量總阻力隨時(shí)間增加而增加，當(dāng)達(dá)到設(shè)定航速時(shí)，艇體勻速航行，此時(shí)單位排水量升力繼續(xù)增加，單位排水量總阻力減小，最終升力上升和阻力下降都趨于平緩。由圖13可以看出，總阻力中的摩擦阻力占比也最終趨于平緩，其值較小，在2%左右變化。綜合來看，型號40-28，43-25和46-22的防飛濺條具有較好的阻力性能，其中型號40-28的最好。

圖12　不同防飛濺條翼滑艇的單位排水量總阻力和升力隨時(shí)間變化曲線（V=10 m/s）Fig.12　Time histories of the total resistance and lift of unit displacement for the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strips（V=10 m/s）

圖13　不同防飛濺條翼滑艇的升力與重力比和摩擦阻力成分隨時(shí)間變化曲線（V=10 m/s）Fig.13　Time histories of the lift-gravity ratio and frictiontotal-resistance ratio for the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strips（V=10 m/s）

表4　不同型號防飛濺條在V=10 m/s時(shí)的最大升力與重力比Tab.4　Maximum lift-gravity ratio of various sizes of splash-proof strip at the speed of V=10 m/s

3.2不同艇型的綜合比較

1）對主艇體、水翼、防飛濺條尺寸相同的4種艇型進(jìn)行阻力分析，包括：滑行艇、有防飛濺條滑行艇、翼滑艇和有防飛濺條翼滑艇。圖14～圖17為分析的結(jié)果。

圖14～圖17中4種艇體編號如下:（1）Bare hull：滑行艇；（2）46-22：具有防飛濺條的滑行艇；（3）0.5b-7zxb：翼滑艇（水翼展長為0.5倍艇寬，展弦比為7，攻角0.5°，距艇艏0.2倍艇長，相對浸深為2）；（4）46-22-0.5b-7zxb：加水翼型號0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js和 防 飛 濺 條 型 號46-22。裸艇體重力19 362.91 N，F(xiàn)r▽=2.86。

圖14～圖15對比了4種艇型的單位排水量阻力和升力、升力與重力比、摩擦阻力與總阻力比，得到的阻力性能好壞依次如下：有防飛濺條的翼滑艇—翼滑艇—有防飛濺條的滑行艇—滑行艇。當(dāng)V=10 m/s時(shí)，有防飛濺條的翼滑艇艇體升力已大于重力，艇體已經(jīng)達(dá)到滑行狀態(tài)，而此時(shí)滑行艇的升力與重力比最高只有0.65左右。

圖14　不同艇型的單位排水量總阻力和升力隨時(shí)間變化曲線（V=10 m/s）Fig.14　Time histories of the total resistance and lift of unit displacement for four types of hull（V=10 m/s）

圖15　不同艇型的升力與重力比和摩擦阻力成分隨時(shí)間變化曲線（V=10 m/s）Fig.15　Time histories of the lift-gravity ratio and friction-total-resistance ratio for four types of hull（V=10 m/s）

由圖16可知，當(dāng)有防飛濺條的翼滑艇（Boat，型號46-22-0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js）V=10 m/s時(shí)，艇體3個部分提供升力的結(jié)果是：主艇體（Hull）最大提供73.69%的艇體重力；水翼（SY）最大提供21.34%的艇體重力；防飛濺條（Fei）最大提供8.28%的艇體重力。由圖17可知，對于4種艇型的縱傾角變化，有防飛濺條的滑行艇的縱傾角反而最小，翼滑艇縱傾角最大，因此防飛濺條可以減小艇體的縱傾角。綜合來看，加水翼或防飛濺條都可以增加艇體升力，使艇體更快地進(jìn)入滑行狀態(tài)。加水翼的效果比加防飛濺條的效果好，而同時(shí)加水翼和防飛濺條的艇體更能改善滑行艇的阻力性能。

圖16　艇體各部分的升力與重力比隨時(shí)間變化曲線（V=10 m/s）Fig.16　Time histories of the lift-gravity ratio of every part of boat for four types of hull（V=10 m/s）

圖17　4種艇型縱傾角隨時(shí)間變化曲線（V=10 m/s）Fig.17　Time histories of the trim angle for four types of hull （V=10 m/s）

2）在型號46-22防飛濺條的滑行艇上安裝最小水翼和最大水翼方案。最小水翼指水翼展長為0.5倍艇寬，展弦比為8，攻角為0.5°。最大水翼是指水翼展長0.65倍艇寬，展弦比為5，攻角為2°。2個水翼分別距艇艏0.2倍艇長，相對浸深為2。兩種方案的分析結(jié)果如表5所示。該表中列出了安裝最大水翼、最大攻角以及最小水翼、最小攻角時(shí)艇的整個艇體、主艇體、水翼和防飛濺條共4個部分的最大升力與重力比。

表5　艇體各部分的最大升力與重力比（V=10 m/s）Tab.5　Maximum lift-gravity ratio of every part of boat（V=10 m/s）

由表5所示，在Fr▽=4時(shí)，對比兩種方案下的最大水翼升力與重力的比值可知，設(shè)計(jì)的水翼可以提供28.54%～71.10%艇重的升力。從圖18曲線變化的趨勢看，對于最小水翼、最小攻角下的運(yùn)動，在前1 s加速的過程中，水翼（SY）和防飛濺條（Fei）提供的升力一直增大，但幅度較為平緩，而主艇體（Hull）的升力先增大后減小，但1 s后快速增加，提供了主要的升力來源。從圖19曲線變化趨勢看，對于最大水翼、大攻角下的運(yùn)動，水翼（SY）和防飛濺條（Fei）提供的升力一直增大，但防飛濺條的升力幅度較為平緩，水翼的升力上升很快，提供了主要的升力來源。

圖18　最小水翼、最小攻角時(shí)艇體各部分的升力與重力比隨時(shí)間變化曲線（V=10 m/s）Fig.18　Time histories of lift-gravity ratio of every part of boat with the smallest hydrofoil and minimum angle of attack for four types of hull（V=10 m/s）

4　結(jié)　語

本文對一種具有防飛濺條的翼滑艇進(jìn)行了幾何建模，設(shè)計(jì)了8種不同規(guī)格的防飛濺條和64種水翼，通過NUMECA系列軟件對不同工況下的高速艇進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，來研究新型高速艇的水動力性能。研究表明：加水翼或防飛濺條均可增加艇體的升力，使艇體更快地進(jìn)入滑行狀態(tài)，其中加水翼的效果較防飛濺條的好。同時(shí)，加水翼和防飛濺條的艇體更能改善滑行艇的阻力性能。

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CFD simulation and comparison analysis of a new type high-speed boat

WEI Zifan，JING Shengping，YANG Songlin
College of Marine and Shipbuilding Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China

The high-speed boat has the advantages of small volume，high-speed，and intelligent control，which can complete search and rescue，detection，navigation，combat，and other tasks，and it has been widely applied in military and civilian fields.Particularly，studying the rapidity performance of high-speed boat is of vital importance for the boat design and analysis of fluid dynamics performance.In this paper，a new type of high-speed boat is presented，whose hydrodynamic performance is analyzed and compared with different high-speed boats through numerical simulation in NUMECA software.The results show that hydrofoil and splash-proof strip can improve the lift force of the boat，helping the boat enter the planing state faster.Moreover，it is seen that the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip has good resistance performance.

high-speed boat；CFD simulation；resistance performance；splash-proof strip；hydrofoil

U661.31

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.004

2015-12-03網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-7-29 9:45

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51379094）

魏子凡（通信作者），女，1990年生，碩士生。研究方向：船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)。

E-mail：jkdwzf@163.com

楊松林，男，1956年生，教授。研究方向：船舶運(yùn)動及其控制，船型綜合優(yōu)化。

E-mail：ysl560516@vip.163.com