帶阻流板的高速深V艇減阻機(jī)理研究*

朱 鋒 陳嘉偉 何術(shù)龍 倪其軍

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心1) 無(wú)錫 214082) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

深V快艇具有制造工藝簡(jiǎn)單、耐波性?xún)?yōu)異、航向穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但其航行過(guò)程中縱傾角變化劇烈.過(guò)大的縱傾角將影響艇的起滑，增大阻力峰的值，甚至出現(xiàn)起滑難等問(wèn)題，過(guò)大的縱傾還會(huì)影響駕駛員的視野，存在一定的安全隱患.目前一般通過(guò)安裝艉楔、固定式壓浪板和可調(diào)式壓浪板等節(jié)能附體來(lái)改善艇尾流場(chǎng)[1]，調(diào)節(jié)航行姿態(tài)，進(jìn)而提高其航行性能.阻流板系統(tǒng)是一種新型的航行性能改善裝置，一般也可稱(chēng)作擾流器、艉插板、攔截器等，其比壓浪板更加高效，且還可通過(guò)兩側(cè)板的動(dòng)態(tài)差動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)減小橫搖、縱搖、轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心減速度[2].不同的阻流板伸出長(zhǎng)度和船舶所處的航速段范圍是影響阻流板減阻性能的主要因素，合適的阻流板伸出長(zhǎng)度可以有效降低船舶航行阻力，同時(shí)調(diào)整航態(tài).然而當(dāng)阻流板伸出長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，也會(huì)使船舶產(chǎn)生埋首現(xiàn)象，從而增大阻力[3-4]，因此，需對(duì)阻流板不同伸出長(zhǎng)度下深V快艇的水動(dòng)力性能進(jìn)行分析研究.

利用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)高速滑行艇阻力性能時(shí)，還存在預(yù)報(bào)精度低等問(wèn)題[5].文中對(duì)某高速深V快艇的阻力數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行研究，從計(jì)算區(qū)域大小、網(wǎng)格數(shù)量和湍流模型三個(gè)方面確定該深V快艇的阻力數(shù)值計(jì)算方法.在該方法的基礎(chǔ)上對(duì)過(guò)渡段和滑行段兩個(gè)典型狀態(tài)下，不同阻流板伸出長(zhǎng)度下的阻力性能及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào).結(jié)合自由面興波和艇體表面壓力分布來(lái)對(duì)阻流板的減阻機(jī)理進(jìn)行分析，最終獲得該艇阻力性能最優(yōu)所對(duì)應(yīng)的阻流板最佳伸出長(zhǎng)度值.

1 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值求解方法

1.1 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

采用目前工程實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的RANS方法進(jìn)行數(shù)值模擬[6-7], RANS方法還需引入湍流模型來(lái)封閉該方程.動(dòng)量方程采用有限體積法(FVM)進(jìn)行離散[8]，離散格式采用二階迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，代數(shù)方程的求解使用的是Gauss-Seidel迭代方法[9-10].選用流場(chǎng)中經(jīng)典的SIMPLE算法處理壓力速度耦合問(wèn)題.

采用上述數(shù)值計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，從計(jì)算區(qū)域大小、網(wǎng)格數(shù)量及湍流模型這三個(gè)方面對(duì)某深V快艇進(jìn)行數(shù)值計(jì)算方法研究.

1.2 計(jì)算區(qū)域大小敏感度分析

計(jì)算區(qū)域選擇的越大，計(jì)算模型越接近于無(wú)界擾流的情況，但同時(shí)也意味著計(jì)算量越大，計(jì)算所需的計(jì)算機(jī)硬件性能越高，計(jì)算效率(經(jīng)濟(jì)性)越低；計(jì)算域選擇過(guò)小，計(jì)算所需的邊界條件以及由此得到的計(jì)算結(jié)果就難以與無(wú)界擾流的情況相一致[11-12].

為了確定計(jì)算域大小，定義計(jì)算域大小因子F，其以船長(zhǎng)L為基準(zhǔn)單元，計(jì)算域向船首前方、船尾后方以及船垂直方向以及船寬方向延伸的距離與船長(zhǎng)L的比值.圖1為計(jì)算域示意圖，其中：L3=10L1=5L2=5L5=20L4.

圖1 計(jì)算區(qū)域示意圖

主要計(jì)算參數(shù)如下：模型雷諾數(shù)Rem=1.452×107，模型體積弗勞德數(shù)Fr=2.832，湍流模型選擇SSTκ-ω.表1為該高速深V快艇靜水阻力計(jì)算結(jié)果.結(jié)果表明，當(dāng)計(jì)算域大小因子F≥1.3后，計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定，因此，確定計(jì)算域大小因子F=1.3.

表1 計(jì)算域大小對(duì)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果影響

1.3 網(wǎng)格數(shù)量敏感度分析

圖2 三套網(wǎng)格示意圖

表2為不同網(wǎng)格數(shù)量在相同計(jì)算資源下(25個(gè)核)的計(jì)算結(jié)果與計(jì)算耗時(shí).從中可以看出：網(wǎng)格數(shù)量在170萬(wàn)以后，計(jì)算結(jié)果已趨于穩(wěn)定；且第三套網(wǎng)格的計(jì)算時(shí)間是第二套網(wǎng)格的4倍多，但精度收益微小，所以選擇第二套網(wǎng)格(170萬(wàn))作為后續(xù)數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)量.

表2 三套網(wǎng)格的水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果

1.4 湍流模型選取分析

文中采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ω、SSTκ-ω、標(biāo)準(zhǔn)κ-ε這三種不同的湍流模型進(jìn)行分析，時(shí)間差分格式統(tǒng)一設(shè)定為2階，動(dòng)量差分類(lèi)型統(tǒng)一設(shè)定為Super-bee形式，獲得了不同的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3.

表3 不同湍流模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表3可知，三種不同湍流模型的計(jì)算結(jié)果不盡相同，根據(jù)水池試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，采用SSTκ-ω湍流模型所獲得的計(jì)算結(jié)果與水池試驗(yàn)值更接近，誤差更小，因此，確定選擇SST湍流模型.

通過(guò)上述研究，確定了高速深V快艇的阻力數(shù)值預(yù)報(bào)方法，具體如下：采用SST湍流模型、網(wǎng)格數(shù)量170萬(wàn)(半模)、計(jì)算域大小因子F=1.3.從與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，該數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算穩(wěn)定、精度高，誤差在2%～6%，滿(mǎn)足工程預(yù)報(bào)要求，可以作為阻流板機(jī)理研究的方法基礎(chǔ).

2 阻流板減阻機(jī)理分析

2.1 阻流板外形方案確定

以上文中的高速深V快艇為研究對(duì)象，將阻流板安裝在主船體尾封板下沿.阻流板的主要作用為調(diào)節(jié)深V快艇航行姿態(tài)、改善航行阻力，故將阻流板安裝于艇尾封板1/4艇寬處，安裝位置示意圖見(jiàn)圖3.阻流板尺寸根據(jù)本艇主尺度按照某公司產(chǎn)品選型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，阻流板長(zhǎng)為450 mm，可伸縮長(zhǎng)度為100 mm，將可伸縮長(zhǎng)度以10 mm為一檔，分為10檔進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.

圖3 阻流板安裝位置示意圖

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

阻流板減阻效果受到兩個(gè)因素的影響：阻流板的伸出長(zhǎng)度和快艇的航行速度.為了使計(jì)算更加高效和更具針對(duì)性，選取兩個(gè)典型航速進(jìn)行分析.一個(gè)為過(guò)渡狀態(tài)航速17.5 kn，對(duì)應(yīng)體積弗勞德數(shù)Fr=1.982，在該航速下模型阻力出現(xiàn)第一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)縱傾角也最大；另一個(gè)為準(zhǔn)滑行狀態(tài)25 kn，對(duì)應(yīng)體積弗勞德數(shù)Fr=2.832.

按照阻流板10%H伸出長(zhǎng)度為一檔分別進(jìn)行計(jì)算，表4～5為取航速Vs=17.5和 25 kn時(shí)阻流板不同伸出長(zhǎng)度下模型阻力與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)計(jì)算結(jié)果.

表4 阻流板不同伸出長(zhǎng)度下模型阻力與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)計(jì)算結(jié)果及對(duì)比(Vs=17.5 kn)

表5 阻流板不同伸出長(zhǎng)度下模型阻力與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)計(jì)算結(jié)果及對(duì)比(Vs=25 kn)

由表4～5可知，合適的阻流板伸出長(zhǎng)度對(duì)深V快艇的減阻起到積極作用，隨著阻流板伸出長(zhǎng)度的增加，深V快艇的阻力收益大致呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì).同時(shí)，兩典型航速下，該深V快艇的縱傾角均得到改善，最佳減阻方案對(duì)應(yīng)的航行縱傾角均在6°左右.當(dāng)Vs=17.5 kn時(shí)，計(jì)算模型在不同阻流板伸出長(zhǎng)度下均實(shí)現(xiàn)減阻，當(dāng)阻流板伸出長(zhǎng)度為40%H時(shí)，模型阻力值較光體阻力值減小了13.54%，深沉值增大了17.45%，縱傾角由原來(lái)的7.71°降為5.95°，減小了22.81%；當(dāng)Vs=25 kn時(shí)，阻流板伸出長(zhǎng)度為10%H、20%H和50%H三個(gè)狀態(tài)下有減阻效果，當(dāng)伸出長(zhǎng)度為10%H時(shí)，阻力值減少最多，為3.84%，對(duì)應(yīng)深沉值減小了4.34%，縱傾角減小了6.96%，其余不同伸出長(zhǎng)度下的阻力值均未減小，并且隨著伸出長(zhǎng)度的增大，阻力值呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì).

2.3 阻流板減阻機(jī)理分析

在總阻力系數(shù)方面，總阻力系數(shù)CTM由摩擦阻力、興波阻力及壓差阻力三部分組成，該艇在17.5 kn時(shí)的雷諾數(shù)已經(jīng)越過(guò)臨界值，假設(shè)此時(shí)摩擦阻力系數(shù)隨著航速的增大基本不變.考察典型航速17.5和25 kn時(shí)，阻流板最佳伸出長(zhǎng)度下自由面興波和艇體表面壓力分布的變化情況.

圖4為過(guò)渡狀態(tài)與滑行狀態(tài)下艇體兩側(cè)自由面興波示意圖，在兩個(gè)典型狀態(tài)下，阻流板的安裝都可以改善艇體自由面興波，對(duì)艇體兩側(cè)波浪飛濺起積極作用，從而降低了興波阻力.

圖4 兩典型航速下艇體兩側(cè)自由面興波圖

圖5為兩典型航速下艇艉波形圖，由圖5可知，在安裝阻流板后，雞尾流高度降低，船舶的虛長(zhǎng)度邊長(zhǎng)，這也一定程度降低了總阻力系數(shù).

圖5 兩典型航速下艇艉波形圖

圖6為過(guò)渡狀態(tài)與滑行狀態(tài)下艇底壓力分布，艇艉阻流板的安裝對(duì)水流存在阻礙作用，在阻流板附近壓力突變，形成一個(gè)正壓區(qū)，導(dǎo)致壓差阻力增大.

圖6 兩典型航速下艇底壓力分布圖

在濕面積方面，由表4～5可知，兩典型航速下模型縱傾角及濕面積隨阻流板伸出長(zhǎng)度變化規(guī)律，由表可知，隨著阻流板伸出長(zhǎng)度的增加，艇體浸濕面積大致呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢(shì)，由于浸濕面積與艇體的航行姿態(tài)密切相關(guān)，根據(jù)縱傾角隨伸出長(zhǎng)度變化情況來(lái)看，伸出長(zhǎng)度越大，對(duì)應(yīng)縱傾角越小，艇體首部浸濕面積就越大.

3 結(jié) 論

1) 基于RANS方程的數(shù)值計(jì)算方法預(yù)報(bào)精度較高，能夠滿(mǎn)足方案設(shè)計(jì)階段對(duì)深V高速艇的預(yù)報(bào)需求.

2) 相對(duì)于高速艇處于滑行狀態(tài)，阻流板在高速艇處于過(guò)渡狀態(tài)時(shí)減阻效果更加明顯，合適的阻流板伸出長(zhǎng)度可以大幅降低模型總阻力峰值，使艇的起滑更容易.

3) 阻流板的使用增大了艇體的濕面積，但減小了阻力系數(shù)，在合適的伸出長(zhǎng)度情況下，阻力系數(shù)減阻的收益大于濕面積增加導(dǎo)致的阻力增大，起到了減阻效果.

4) 在總阻力系數(shù)方面，阻流板將引起艇尾部壓差阻力的增大，但可降低興波阻力，由于興波阻力的減小值較壓差阻力的增大值要大，因此總阻力系數(shù)依然得到降低，且阻流板減小了船艉雞尾流高度，增加了船舶的虛長(zhǎng)度.

5) 阻流板的減阻機(jī)理主要是通過(guò)改變艇體壓力分布，改善航行姿態(tài)，降低興波、減小艇體兩側(cè)飛濺阻力、增加船舶虛長(zhǎng)度，進(jìn)而降低剩余阻力來(lái)實(shí)現(xiàn).