阻流板對滑行艇阻力性能的影響

申云磊，高霄鵬，霍聰

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

滑行艇是一種依靠水動升力支撐艇重，將艇體托出水面，從而進入滑行狀態(tài)的高速快艇，由于其外形簡單，工業(yè)技術(shù)要求低，發(fā)展時間長，因此廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域[1]。隨著無人技術(shù)拓展到海洋空間，水面無人艇作為一種智能艦艇受到廣泛關(guān)注，滑行艇因為其優(yōu)越的水動力性能，成為目前無人艇應(yīng)用最多的高性能船型[2]。

滑行艇的水動力性能在艇體型線確定以后，通過增加阻流板、尾板、楔形塊等附體改善其性能成為最常見和有效的方法。其中，阻流板是一種垂直對稱安裝在尾封板下沿的平板，通過超出艇底部分的細長區(qū)域影響滑行艇的水動力性能。阻流板的安裝及有效參數(shù)如圖1所示。圖中參數(shù)d和s分別表示阻流板的作用深度和寬度。相對其他附體，阻流板的研究開展較晚。文獻[3]利用CFD方法研究了阻流板對約40 m滑行艇的阻力性能影響，在中低速工況下降阻效果明顯。文獻[4 - 6]對阻流板的作用機制進行了研究，發(fā)現(xiàn)阻流板前部小范圍內(nèi)形成水流漩渦影響了艇底的壓力分布，阻流板的作用效果除了與深度d和和寬度s有關(guān)外，與滑行艇的邊界層厚度也有很大關(guān)系。文獻[7 - 8]采用模型試驗得到了針對特殊船型的阻流板參數(shù)。但是對于阻流板的選擇，目前仍沒有很好的選擇標(biāo)準(zhǔn)，阻流板作用太小不能達到理想的效果，太大則會引發(fā)阻力性能惡化以及埋首現(xiàn)象。因此，本文通過模型試驗對某新型滑行艇進行阻力性能試驗研究，對比了不同深度的阻流板對模型靜水阻力和運動姿態(tài)的影響效果。在此基礎(chǔ)上利用CFD技術(shù)，通過Star-CCM+軟件平臺對滑行艇的靜水拖航試驗進行模擬，對阻流板的作用機制進行了分析。

圖 1 阻流板示意圖Fig. 1Implementation of an interceptor aft of a planning boat

1 模型試驗

1.1 模型主尺度

該艇采用細長三角形滑行底面與深V滑行艇前舭的復(fù)合型設(shè)計，模型的無量綱化參數(shù)見表1。

表 1 船模無量綱化主要參數(shù)Tab. 1Main dimensionless parameter of model

為獲得和改善該艇的水動力性能，在中國特種飛行器研究所高速拖曳水池進行了靜水拖曳試驗。試驗水池長510 m，寬 6.5 m，水深5 m，拖車速度最高可達22 m/s。阻力的測量采用BLR-1型拉力傳感器，量程為0～40 kg，精度為0.2%?？v傾測量采用傾角傳感器，精度為0.1°。升沉采用拉線式方法測量，誤差小于1%。為了保證船模在高速拖曳過程中的強度，船模使用木質(zhì)結(jié)構(gòu)經(jīng)打磨、噴漆、防漏等一系列加工而成。試驗中加裝了2種不同尺寸的阻流板，s取值折角線寬0.11，d取值1 mm，3 mm兩個尺寸，試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

1.2 試驗方案

對模型的初始狀態(tài)調(diào)整后，進行從低速到高速的拖曳試驗。拖曳過程中監(jiān)測滑行艇的阻力、傾角、升沉，觀察雞尾流和飛濺，發(fā)生運動失穩(wěn)則停止試驗，調(diào)整阻流板深度，繼續(xù)下一工況?；型У淖枇εc速度采用無量綱化處理：單位升阻比，為滑行艇阻力，為模型排水量，體積弗勞德數(shù)的計算公式如下：

圖 2 試驗?zāi)Ｐ图白枇靼灏惭bFig. 2Model of test and installation of interceptor

1.3 試驗結(jié)果與分析

圖3給出了模型光體以及加裝阻流板1 mm，3 mm工況下的阻力、傾角以及升沉隨航速的變化曲線。由圖3（a）可以看出，加裝阻流板可以顯著降低＜5.5之前的單位升阻比，普遍降幅達到20%，阻力峰相對于中高速段的差值也明顯減小。在＞5.5之后，阻流板的降阻效果消失，略微超出無阻流板工況下的單位升阻比。試驗中發(fā)現(xiàn)阻流板3 mm與1 mm對于阻力的影響效果差別不大，沒有繼續(xù)進行阻流板3 mm狀態(tài)下的高速工況。

圖 3 不同阻流板深度下的試驗結(jié)果對比Fig. 3Comparison of test result at different depth of interceptor

滑行艇航行過程中縱傾角的變化直接影響滑行艇的阻力性能與縱向運動穩(wěn)定性，是反映其性能的關(guān)鍵參數(shù)?？v傾角越大，船體越容易出現(xiàn)海豚運動，并且在不同的體積弗勞德數(shù)下，存在著最優(yōu)航行攻角，對應(yīng)的阻力性能最好[9]。由圖3（b）可以看出，阻流板可以顯著降低航行過程中的縱傾角，在中高速時效果更加明顯，阻流板作用深度越大，縱傾角降低幅度越大。另外加裝阻流板后模型的速度上限由=6提高到=7說明阻流板使得縱傾角減小，縱向運動穩(wěn)定性提高。由圖3（c）可以看出，阻流板作用深度越大，升沉值越小。升沉值會影響模型航行過程中的濕表面積，升沉值越大，濕表面積越小，對應(yīng)的摩擦阻力也越小。結(jié)合阻力的變化規(guī)律，傾角更能直觀的反映出阻流板對滑行艇的影響效果，并起主要作用。

2 數(shù)值分析

近年來隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，針對滑行艇水動力性能的研究越來越多地采用數(shù)值計算方法開展[10-12]。利用CFD軟件不僅可以預(yù)報滑行艇的性能，還可以對試驗中不易監(jiān)測的要素進行量化和觀察，便于深入分析。本文基于Star-CCM+軟件平臺開展滑行艇靜水拖航及阻流板作用的數(shù)值仿真。

2.1 計算域與網(wǎng)格設(shè)置

根據(jù)流場關(guān)于船體中縱剖面的對稱性，僅對一半流場進行網(wǎng)格離散?？紤]到滑行艇在運動過程中劇烈的姿態(tài)變化，利用重疊網(wǎng)格技術(shù)將整個計算域劃分為重疊域與背景域，背景域在計算過程中保持靜止，重疊域與船體固連，在背景域中發(fā)生運動。采用切割體網(wǎng)格對計算域進行離散，兩域之間設(shè)置重疊網(wǎng)格交界面，用于流場信息的傳遞。的長方體構(gòu)型，其中入口距船首1.5L，

重疊區(qū)域采用略大于船模尺度的長方體構(gòu)型，船模表面設(shè)置為無滑移不可穿透壁面，中縱剖面設(shè)置為對稱面，其余邊界設(shè)置為重疊網(wǎng)格邊界。背景域采用上表面距甲板1L，下表面距艇底2L，均設(shè)置為速度入口；出口距船尾3.5L，設(shè)置為壓力出口；側(cè)面距中縱剖面3.5L，與中縱剖面均設(shè)置為對稱面。

為精確捕捉流場細節(jié)，提高計算結(jié)果的精度對船體附近自由液面等流場變化劇烈的區(qū)域進行網(wǎng)格加密。船體表面網(wǎng)格尺度為，邊界層層數(shù)7層，總厚度為8 mm，增長率取1.4，保證壁面無量綱+值在30～300之間。自由液面垂向加密網(wǎng)格尺度為1 mm，對重疊域與背景域的重疊邊界進行適當(dāng)加密，保證重疊域運動過程中數(shù)據(jù)傳遞的穩(wěn)定性。重疊域網(wǎng)格數(shù)量120萬，背景域網(wǎng)格數(shù)量40萬。計算域與網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖 4 計算域與網(wǎng)格劃分Fig. 4Computational domain and mesh sketch map

計算中選用隱式非定常模式和歐拉多項流，利用VOF方法處理船體運動時興波自由面重構(gòu)等強非線性現(xiàn)象，湍流模式采用SST模式，壓力－速度的耦合求解采用PISO算法。同時在DFBI中，釋放船模沿方向的平動以及繞軸的轉(zhuǎn)動2個自由度。非穩(wěn)態(tài)時間離散采用1階格式，時間步長s。為保證計算收斂，在計算的初始階段固定模型，使得模型在接近穩(wěn)定的流場中進行姿態(tài)的調(diào)整。同時在釋放模型后的一定時間內(nèi)對模型運動幅度進行限制，使船體和重疊域邊界的初始運動幅值在很小的范圍內(nèi)變化，保證計算的穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)值有效性驗證

為驗證計算方法的有效性，根據(jù)試驗內(nèi)容，計算滑行艇光體以及加裝阻流板時不同航速下的單位升阻比和縱傾角。表2和表3給出了光體及阻流板3 mm工況下的計算結(jié)果和試驗值及其誤差。可以看出該數(shù)值方法計算所得的單位升阻比和傾角與試驗值吻合較好，中低速工況下，升阻比最大誤差不超過5%，整體誤差均小于10%，滿足工程應(yīng)用的要求。誤差產(chǎn)生的原因主要是所采用的網(wǎng)格尺寸對滑行艇的噴濺捕捉精度有限以及阻流板作用尺度相對于船體尺度是一個極小量，計算誤差較大。

表 2 阻力計算值與試驗值對比Tab. 2Comparison of resistance between calculations and experiments

表 3 縱傾角計算值與試驗值對比Tab. 3Comparison of trim between calculations and experiments

2.3 阻流板水動力特性

圖 5 艇底壓力云圖Fig. 5Comparison of pressure distribution of bottom

3 結(jié) 語

1）合適長度的阻流板可以一定程度上改善滑行艇性能，顯著降低中高速靜水阻力和提高滑行艇的海豚運動臨界速度點。

2）基于Star-CCM+軟件可有效預(yù)報滑行艇以及加裝阻流板的靜水阻力性能，仿真結(jié)果與試驗值吻合良好。

3）阻流板通過改變艇底壓力分布減小滑行艇的航行縱傾角從而改善靜水阻力性能和提高縱向運動穩(wěn)定性。

圖 6 興波云圖Fig. 6Comparison of wave pattern contour