壓浪板對波浪中游艇航行的影響

1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室朱兆一林少芬支文崢陳清林蔡應(yīng)強(qiáng)

壓浪板對波浪中游艇航行的影響

1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室朱兆一1，2林少芬1，2支文崢1，2陳清林1，2蔡應(yīng)強(qiáng)1，2

通過建立數(shù)值拖曳水池，采用數(shù)值造波技術(shù)對游艇的迎浪航行進(jìn)行仿真，并通過對裸艇體和帶壓浪板艇體在波浪中航行受力與運動的對比，研究安裝壓浪板對游艇的阻力、垂蕩、縱搖的周期和幅度等方面的影響。

游艇 數(shù)值水池 壓浪板 波浪

0 引言

近年來，作為一種水上娛樂高級耐用消費品，游艇得到了迅速發(fā)展，人們對其快速性、舒適性等指標(biāo)要求日趨嚴(yán)格[1]。游艇在波浪中航行時，激烈的縱搖將會造成螺旋槳露出水面發(fā)生飛車現(xiàn)象，并且“海豚運動”造成的艇底抨擊容易產(chǎn)生材料疲勞破壞而致結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致機(jī)械和儀表失靈甚至艇毀人亡的事故[2]。壓浪板具有調(diào)節(jié)艇航行縱搖、改善航行阻力的作用，目前無論是采用水池試驗還是理論推導(dǎo)，主要是研究靜水中壓浪板對艇性能的影響，針對于波浪載荷下壓浪板的作用效果研究還十分少見[3-5]。本文借助數(shù)值水池技術(shù)，研究壓浪板的作用角度對游艇阻力、垂蕩和縱搖周期、幅度等方面的影響。

1 數(shù)值造波技術(shù)

邊界造波是數(shù)值水池試驗中常用的造波技術(shù)，其方法是直接控制計算域的一部分邊界（通常為入口邊界）作為擾動源，在邊界上布設(shè)波升和速度擾動量生成波浪。在有限水深中，入射波的速度勢?在固定坐標(biāo)系下可表示為[6]：

其中，C0為系數(shù)，計算公式如下：

式中，ξ表示波幅，m；k表示波數(shù)；H表示水深，m；ω0表示波的自然頻率，s-1。波面方程為：

式中，η為自由面在平均水面以上的垂直距離，m。

2 波浪數(shù)值水池的建立

本文研究的對象為一艘國內(nèi)自主設(shè)計、制造的75尺游艇的水池試驗?zāi)Ｐ?，艇模的航速范圍取?.602～5.127m/s。本文采用STAR CCM+為CFD求解軟件，用于計算域的設(shè)置、網(wǎng)格劃分、計算求解及后處理等工作，并采用了DFBI運動模型和重疊網(wǎng)格技術(shù)，釋放游艇垂向位移、橫向轉(zhuǎn)動自由度，以實現(xiàn)游艇航行姿態(tài)的自動調(diào)整[7-8]。采取切割六面體網(wǎng)格進(jìn)行計算域內(nèi)的網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格數(shù)約為290萬，拖曳數(shù)值水池的計算域及邊界條件見圖1。

圖1 計算域及邊界條件示意圖

數(shù)值波浪水池是在數(shù)值拖曳水池的基礎(chǔ)上，通過邊界造波技術(shù)制造VOF規(guī)則深水波，根據(jù)本游艇的建造級別，最大波高設(shè)置為0.194m，相當(dāng)于實際波高為2m；波長為1.828m，等于游艇設(shè)計水線長；來流速度為4.165m/s，對應(yīng)該艇的設(shè)計最高航速，建立好的波浪數(shù)值水池在初始時刻的水汽分布如圖2所示。

圖2 數(shù)值波浪水池初始時刻水汽分布

3 游艇迎浪航行的數(shù)值模擬

在數(shù)值波浪水池中，游艇的阻力、縱傾、重心垂向位移隨時間的變化情況分別見圖3、圖4、圖5，游艇在波浪中的運動姿態(tài)及繞流情況如圖6所示。當(dāng)計算物理時間超過1s后，游艇的航行阻力和縱傾均呈周期性變化趨勢，變化周期約為0.307s，阻力波峰領(lǐng)先垂向位移波峰0.30個周期，領(lǐng)先縱傾波峰0.48個周期。航行阻力的峰值約為376N（圖中顯示阻力結(jié)果為整船阻力值的一半），一個周期內(nèi)的阻力平均值約為97N，與在靜水中航行時相比，阻力增加了35%。游艇的最大縱傾為6.2°，最小縱傾為2.5°，縱搖幅度為3.7°。航行中重心位置的升沉變化幅度約為0.023m。

圖3 數(shù)值模擬計算阻力結(jié)果

圖4 數(shù)值模擬計算縱傾結(jié)果

圖5 數(shù)值模擬計算重心垂向位移結(jié)果

圖6 數(shù)值波浪水池中的游艇

4 帶壓浪板游艇迎浪航行的數(shù)值模擬及分析

本文分別模擬了裸體艇、帶0°壓浪板、帶10°壓浪板和帶20°壓浪板的游艇在浪高為0.194m的數(shù)值波浪水池中航行時歷經(jīng)一個周期的情況。

4.1 壓浪板對波浪中航行游艇阻力的影響

安裝壓浪板后，游艇的阻力峰值大小變化不大，始終在180N到200N之間，壓浪板安裝角度為0°、10°和20°時，航行阻力的平均值分別為96N、101N和114N，當(dāng)安裝角度為0°時，平均阻力減小1%，而當(dāng)安裝角度為10°和20°時，平均阻力增加4.1%和17.5%，然而這種周期性運動反而避免了艇體長時間處于艏傾狀態(tài)，從而降低了“埋首”現(xiàn)象對阻力性能的不良影響。圖7為裸艇體阻力變化，圖8為當(dāng)壓浪板角度為10°時游艇阻力的變化。

圖7 裸艇體阻力變化

圖8 帶壓浪板游艇阻力變化 (α=10°)

4.2 壓浪板對波浪中航行游艇姿態(tài)的影響

安裝壓浪板后，壓浪板安裝角度為0°、10°和20°時，游艇航行時的最大縱傾角分別為5.7°、3.4°和1.4°，縱搖幅度分別為3.5°、3.1°和2.8°，航行最大縱傾角度較裸艇體情況分別降低了9.5%、46.0%和77.8%，縱搖幅度較裸艇體情況分別降低了5.4%、16.2%和24.3%。圖9為裸艇體縱傾變化，圖10為當(dāng)壓浪板角度為10°時游艇縱傾的變化。

圖9 裸艇體縱傾

圖10 帶壓浪板游艇縱傾變化 (α=10°)

安裝壓浪板后，壓浪板安裝角度分別為0°、10°和20°時，游艇在波浪中垂蕩運動在重心位置的幅值分別為0.023m、0.019m和0.02m。與裸艇體相比，幅值分別降低了0%，17.4%和13.0%。安裝壓浪板后，當(dāng)壓浪板安裝角度分別為0°、10°和20°時，游艇重心位置向上的加速度最大值分別為13.0m/s2、9m/s2和6.3m/s2，相對于裸艇體情況分別下降了3.7%、33.3%和53.3%；游艇重心位置垂向向下的加速度最大值分別為6.0 m/s2、4.0 m/s2和3.1 m/s2，相對于裸艇體情況，分別減小了6.3%、37.5%和51.6%。

圖11 裸艇體重心位移變化

圖12 帶壓浪板游艇重心位移變化 (α=10°)

4.3 壓浪板的減搖效果與波長的關(guān)系

減小縱搖幅度是壓浪板對游艇在波浪中姿態(tài)調(diào)整作用的重要方面，為便于進(jìn)一步研究在不同海況下，壓浪板的減搖效果，本文分別對不同波長下游艇安裝壓浪板前后在波浪中的運動進(jìn)行了模擬，波長范圍為0.5L～2.5L（L為艇體設(shè)計水線長）。計算所得壓浪板的減搖效果曲線如圖13所示。由圖可以看出，當(dāng)波長小于艇長的一半時，壓浪板無明顯減搖效果，而當(dāng)波長接近艇長的2倍時，壓浪板的減搖效果最明顯，約能使縱搖幅度降低20%。

圖13 壓浪板減搖效果隨波長變化曲線

5 結(jié)論

本文以實艇模型為例，進(jìn)行了游艇在波浪中航行的數(shù)值仿真，主要分析安裝壓浪板前后游艇的阻力、縱搖、垂蕩運動的變化。結(jié)果表明，當(dāng)游艇迎浪航行時，安裝壓浪板對游艇航行的縱搖、垂蕩運動有降低其幅值的作用，并能降低垂蕩過程中艇體的垂向加速度，但同時會增加游艇航行的阻力。壓浪板的減搖效果與波長有關(guān)，當(dāng)波長接近艇長的2倍時，減搖效果最佳，可降低20%的縱搖。

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