基于改進疊模方法的兩棲車航行阻力成分研究

孫旭光， 李 勇， 韋 韜， 孫曉策， 周中鋒

(1.中國北方車輛研究所,北京 100072； 2.江麓機電集團有限公司,湘潭 411100; 3.海軍研究院,北京102442)

履帶式兩棲車在水動力學(xué)研究領(lǐng)域是一類特殊的航行體，一般稱為“水面鈍體”，其阻力特性與常規(guī)船舶差異明顯，對兩棲車的水上航速和航態(tài)有直接影響，可以通過分析其阻力構(gòu)成與影響因素，有針對性地開展車輛低阻水動力構(gòu)型設(shè)計，提高兩棲車的水上航行速度.為深入了解履帶兩棲車阻力產(chǎn)生機理，本研究基于CFD數(shù)值仿真計算工具Fluent，提出了以“改進疊?！睘橹饕夹g(shù)路線的形狀阻力分離方法.通過對不同航速下繞車體的速度矢量分布、繞車體興波波形變化、車體表面壓力變化分析，獲得某履帶兩棲車航行阻力成分構(gòu)成.其構(gòu)成與拖曳模型試驗結(jié)果基本符合.

1 兩棲車航行阻力成分的一般研究方法

兩棲車的航行阻力成分分析，通常借鑒水面船舶水動力學(xué)的研究方法，分為兩類.第一類按照“功能部件”進行劃分，即分析車體構(gòu)型、部件或其他附體各自在總阻力中所占比例.第二類按照“流動機理”進行劃分，即按照流體作用機理，分析摩擦阻力、形狀阻力、興波阻力等成分.

1.1 功能部件研究方法

采用第一類阻力成分劃分方法，即“功能部件”方法，分別對車體構(gòu)型、部件、附體等對車輛航行阻力的影響，與兩棲車航行阻力進行比對，得到各功能部件在總阻力中所占比例，這種分析方法在兩棲車航行阻力分析時應(yīng)用較多.其存在的主要問題是，由于兩棲車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，造成部件與附體之間產(chǎn)生的阻力存在較大的干擾和耦合效應(yīng)，例如懸掛裝置對車體底部流場影響很大，反之車體對懸掛裝置又存在某種“遮蔽效應(yīng)”.因此，兩棲車航行阻力分析如果只采用“功能部件”分解的方法，有可能簡化流場的相互干擾，從而影響各部件阻力成分的判斷，進而影響兩棲車的水動力構(gòu)型與減阻設(shè)計.

1.2 流動機理研究方法

第二類阻力成分研究方法，即“流動機理”方法，如圖1所示.其中的“摩擦阻力”，目前采用最多的分析手段是基于ITTC(國際拖曳水池會議)平板摩擦公式的計算方法和“邊界層分析”方法，邊界層分析方法主要用于其表面精細流場的研究.“興波阻力”主要采用“波形分析”的方法.水流流經(jīng)車體時，由于車體形狀的急劇變化而形成流體的壓力差，在重力作用下，形成興波向外發(fā)展，并在車輛浸水表面產(chǎn)生水流波形動壓力，即車輛的興波阻力.“尾流場分析”方法將車輛尾部的流場作為“出口條件”，無限遠處均勻來流流場作為“入口條件”，通過分析得到車輛的粘性阻力，即粘壓阻力和形狀阻力成分.分析“形狀阻力”時，形狀因子分析方法、疊模試驗法應(yīng)用較為廣泛，尤其疊模試驗法在船舶水動力學(xué)數(shù)值計算領(lǐng)域應(yīng)用較多，是通過將船體水線以下部分進行重疊，消除自由面興波帶來的影響，用以分析形狀阻力成分，而不涉及興波阻力.

圖1 基于模型的阻力成分數(shù)值計算(作用機理)研究一般方法

2 改進疊模阻力研究方法

由圖1中歸納總結(jié)的阻力成分研究方法可知，“摩擦阻力”通過平板摩擦公式計算得到.為將形狀阻力成分從剩余阻力中進一步分離出來，通常采用形狀因子和疊模計算方法，但對于方形尾部特殊構(gòu)型的兩棲車，由于尾部存在“虛長度”，水流不直接作用于尾部，疊模法容易引起計算不收斂等“異?！眴栴}.本研究提出了“改進疊模”阻力計算方法，借鑒國外某雙體船在研究形狀阻力過程中，通過在尾部增加“順流段”，如圖2所示，模擬了存在虛長度的兩棲車尾部流場，通過“改進疊模”方法分析兩棲車這種“水面鈍體”的形狀阻力成分[1].

圖2 某型雙體船模型試驗示意圖與尾部順流段方案

通常，對兩棲車航行阻力進行數(shù)值模擬計算時，是通過約束兩棲車模型航態(tài)(車輛重心處升沉及縱傾角)，分別采用帶自由面約束模和不帶自由面疊模的方法進行數(shù)值計算,按照想定的車輛重心升沉與縱傾角設(shè)計方案，采用正交設(shè)計的方法進行組合，形成多個計算工況，由兩者計算的結(jié)果，進行形狀阻力成分、興波阻力成分分析.其中，約束模是兩棲車模型在相應(yīng)航態(tài)下“動態(tài)水線”部分進行重疊得到[2]；“改進疊模”是對約束模型數(shù)值計算方法的修正，即通過在兩棲車尾部增加“順流段”，模擬尾部不觸水、存在虛長度的狀態(tài).求解方法及計算流程如圖3和圖4所示.

圖3 求解兩棲車形狀阻力的方法

圖4 求解兩棲車航行阻力的改進疊模計算流程

3 某履帶兩棲車阻力構(gòu)成研究

3.1 阻力計算模型方案

為驗證某兩棲車航行阻力數(shù)值模擬計算的結(jié)果，以某兩棲車拖曳模型試驗狀態(tài)確定兩棲車航行阻力數(shù)值計算的模型方案，如圖5所示.兩棲車的自由面約束模阻力計算和疊模阻力計算即基于縱傾角范圍2.46°～6.12°，車輛重心處升沉范圍118～158 mm的方案分別進行.

圖5 兩棲車航行阻力計算模型方案

3.2 尾部順流段對流場的影響

在開展兩棲車約束模型航行阻力數(shù)值計算前，首先分析順流段對兩棲車方形尾部流場的影響，以確定順流段結(jié)構(gòu)形狀與尺寸.選取3個截面，求取兩棲車尾部流場速度分布，圖6是兩棲車在某速度下尾部流場速度矢量分布截面圖.其中，X為對稱面長度方向上計算點坐標(biāo)，Y為車體寬度方向?qū)ΨQ面坐標(biāo)，Z為高度方向坐標(biāo).經(jīng)流場速度矢量分析表明，兩棲車尾部流場在不同速度下表現(xiàn)出類似特征.當(dāng)順流段長度超過兩棲車水線長一定比例后，流體延順流段長度方向，其速度矢量發(fā)生流動分離現(xiàn)象大幅減小，即對兩棲車尾部流場的影響明顯減弱.此外，順流段寬度超過浸水深度之后，順流段對流場的干擾也迅速減弱.因此，基于以上分析結(jié)果，可以得到兩棲車尾部順流段的基本結(jié)構(gòu)尺寸，即長度不超過兩棲車體水線長的20%，高度方向不超過兩棲車尾部寬度尺寸.

圖6 兩棲車尾部順流段流場速度矢量分布

3.3 阻力計算結(jié)果與分析

基于以上對兩棲車航行阻力數(shù)值計算方法的分析，本研究計算方案采用與拖曳模型試驗相同的1∶3縮尺比的模型，利用Fluent軟件，完成其二維軸對稱流場模擬分析，用不同顏色等級的跡線和壓力云圖顯示速度矢量等參數(shù)隨坐標(biāo)位置的變化.在某航速下按照設(shè)定的航行縱傾角、升沉姿態(tài)，采用正交設(shè)計的方法組合出多個計算工況.數(shù)值計算中，兩棲車航行的動升力、縱傾力矩，利用自由模兩棲車航行計算平衡方程進行插值，以得到其平衡點；同步對阻力進行插值，得到該平衡點下的阻力.按照圖7的計算流程[3]，兩個航速下阻力計算結(jié)果如表1所示.自由面興波波形和兩棲車底部動壓分布如圖8、圖9所示.

圖7 兩棲車航行阻力CFD求解步驟流程

圖8 兩棲車自由面興波波形變化圖

圖9 兩棲車底部動壓力變化分布圖

由表1中的計算結(jié)果可知，基于改進疊模的兩棲車航行阻力計算方法的分析，帶自由表面約束模阻力與摩擦阻力之差即為興波阻力.在傅如德系數(shù)Fr▽較小階段(Fr▽<0.30)，兩棲車航行阻力以粘壓阻力為主，占比為60%～70%，摩擦阻力在10%左右，興波阻力通常不超過30%.當(dāng)Fr▽超過0.50之后，興波阻力迅速增大，在Fr▽約為0.60時達到最大，所占比例約為樣車阻力三分之二.此后，隨著車輛航速提高逐步降低.形狀阻力通常是摩擦阻力2倍以上，且當(dāng)Fr▽數(shù)超過0.60之后隨著航速提高所占比例進一步增大；摩擦阻力所占比例最小，且隨著航速提高有進一步下降趨勢[4].

表1 兩棲車不同航速下疊模與自由模方法阻力計算結(jié)果

4 結(jié) 論

兩棲車航行阻力的計算結(jié)果與拖曳模型航行阻力試驗結(jié)果基本吻合，計算得到的車輛航行總阻力與形狀阻力相對誤差在10%左右,說明“改進疊?！狈椒捎糜趦蓷嚭叫凶枇Ψ治?基于兩棲車阻力形成機理與構(gòu)成的計算分析，在總體設(shè)計中，應(yīng)力求優(yōu)化兩棲車水動力構(gòu)型，特別是車尾形狀，后部收縮應(yīng)平緩，同時增大長寬比，以減小形狀阻力；設(shè)計車首時與水流交界的入流角盡量小，達到減小車輛興波阻力的效果.