基于CFD 的新型高速艇艇型靜水性能研究

李 巖，柳存根

(1.上海交通大學(xué) 船舶與海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 上海 200240)

0 引 言

目前主流的高速艇大多為圓舭、尖舭艇或深V 艇，圓舭艇以排水型為主，而尖舭及深V 型多見于高速排水型、過(guò)渡型及滑行態(tài)，隨著對(duì)艦船要求如可工作海況、航速等的提高，圓舭艇由于高航速時(shí)阻力性能變差，將無(wú)法滿足要求。另一方面雖然尖舭艇高航速下阻力性能相對(duì)圓舭艇有較大提升，但高速時(shí)艇底受到抨擊作用加劇，導(dǎo)致耐波性受到影響[1]。盡管通過(guò)改型后的深V 艇耐波性有所改善，但是其橫向剖面較為尖瘦，艙室容積相對(duì)較小，對(duì)艦船來(lái)說(shuō)不太有利。因此尋求一種能滿足更多苛刻要求的艇型顯得至關(guān)重要。

目前國(guó)外三體滑行艇多用于競(jìng)速艇，國(guó)內(nèi)仍處于研究階段，暫無(wú)實(shí)艇應(yīng)用實(shí)例。而且由于艇型復(fù)雜，無(wú)經(jīng)驗(yàn)公式或圖譜進(jìn)行阻力估算，因此考慮CFD 軟件分別對(duì)深V 艇及三體滑行艇的靜水性能進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，從而從靜水性能方面研究三體滑行艇的優(yōu)劣勢(shì)及應(yīng)用前景。

1 模型參數(shù)

所設(shè)計(jì)的三體艇主尺度見表1，三維模型如圖1 所示，深V 艇艇型選取主尺度相近的常見深V 艇艇型。

表1 船型參數(shù)Tab.1 parameter of tri-planning

圖1 三體艇三維模型Fig.1 3D model of tri-planning

2 數(shù)值方法

通過(guò)商業(yè)CFD 軟件STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，并通過(guò)自由模法，即開放縱傾與升沉2 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到準(zhǔn)確模擬模型在靜水中的直航狀態(tài)。

2.1 控制方程

為了應(yīng)對(duì)工程中出現(xiàn)的復(fù)雜湍流問(wèn)題的求解，通常采用時(shí)均的N-S 方程，也就是RANS 方程，其連續(xù)性方程和動(dòng)量方程為：

式中：ui，uj為速度分量時(shí)均值（i，j=1，2，3）；p為壓力時(shí)均值；ρ為流體密度；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)；ρui′uj′為雷諾應(yīng)力項(xiàng)。

為使方程組封閉，引入SST 方程來(lái)將湍流脈動(dòng)值與時(shí)均值相關(guān)聯(lián)。

2.2 SST 湍流模型

在結(jié)合了k－ω和k－ε湍流模型并考慮了湍流剪應(yīng)力的運(yùn)輸特性后，SST 湍流模型能更加準(zhǔn)確地模擬預(yù)報(bào)存在流動(dòng)分離和逆壓梯度的復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題，對(duì)于三體艇這種片體折角處存在的復(fù)雜分離流的模擬有較大優(yōu)勢(shì)。

其中 k的運(yùn)輸方程為：

ω的運(yùn)輸方程為：

式中：Gk，Gω為在平均速度梯度作用下的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生；Yk，Yω為 k，ω相關(guān)的湍流耗散項(xiàng)。

2.3 運(yùn)動(dòng)方程

船模在拖車帶動(dòng)下前進(jìn)時(shí)，會(huì)通過(guò)擾動(dòng)其周圍的流場(chǎng)，從而達(dá)到改變船體周圍的壓力場(chǎng)和剪切應(yīng)力場(chǎng)的作用，其所受的力與力矩為：

船模六自由度控制方程為：

3 CFD 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)文獻(xiàn)[2-4]計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比，其結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，說(shuō)明采用CFD 方法進(jìn)行阻力預(yù)報(bào)是可行的。本文數(shù)值計(jì)算模型縮尺比為1∶5，CFD 軟件采用STAR-CCM+，計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)長(zhǎng)方體，其在艇前1 L、艇后3 L、甲板以上1 L、甲板以下2 L、舷側(cè)1.5 L，船體周圍以及水線附近設(shè)置2 個(gè)加密區(qū)域，根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]的方法對(duì)船體近壁面采用壁面函數(shù)法進(jìn)行網(wǎng)格加密，所得網(wǎng)格如圖2 所示。由于船左右對(duì)稱，為了加快計(jì)算速度，只計(jì)算左舷一側(cè)，計(jì)算的阻力值也為一半，在最后數(shù)據(jù)處理時(shí)換算成整船的阻力。

根據(jù)船型航態(tài)劃分公式

圖2 船體周圍加密區(qū)網(wǎng)格Fig.2 Mesh aroud the hull

圖3 三體艇阻力及縱傾角隨航速變化曲線Fig.3 Resistance and trim of tri-planning

圖4 深V 艇阻力及縱傾角隨航速變化曲線Fig.4 Resistance and trim of deep V

計(jì)算 3.0≤Fr?≤5.0下的靜水性能，同時(shí)增加過(guò)渡狀態(tài)下2.5≤Fr?≤3.0的數(shù)據(jù)，2 種艇型的阻力及縱傾角結(jié)果分別如圖3 和圖4 所示，各航速下水面興波情況如圖5 所示，艇底壓力分布情況如圖6 所示。

由圖可見，對(duì)于所選航速段，三體艇在過(guò)渡態(tài)阻力及縱傾角有較大的峰值，主要是由于航速較低時(shí)，槽道內(nèi)仍處于被水浸沒的狀態(tài)，水流作用于主體及槽道前端，加劇了船體的尾傾程度，另外主體與槽道加大了與水的接觸面積，從而使得摩擦阻力大幅上升，隨著航速的增加，進(jìn)入滑行態(tài)，槽道的存在使得水氣混合物在槽道內(nèi)不斷堆積，槽道處于通氣狀態(tài)，水動(dòng)力和空氣動(dòng)力成為支撐船體的主要部分，船體整體抬升，從而導(dǎo)致之后阻力及縱傾角隨著航速的增加而減少，直至 Fr?=4.5左右時(shí)阻力值才低于深V 艇阻力值，且此差異將繼續(xù)隨著航速的增加而擴(kuò)大，深V 艇阻力則表現(xiàn)出越過(guò)第1 個(gè)阻力峰之后的阻力直線上升，也經(jīng)歷了滑行艇普遍的縱傾角先增大后減小的過(guò)程。

圖5 各航速下的興波對(duì)比（上為三體艇，下為深V 艇）Fig.5 Free-surface wave comparation(up tri-planning,down deep V)

圖6 艇底壓力分布（上為三體艇，下為深V 艇）Fig.6 Pressure of hull bottom (up tri-planning，down deep V)

從水面興波情況上來(lái)看，隨著航速的增加，艇周圍流暢變化比較明顯，特別是尾流的變化，兩者尾流都向中收斂，空穴也隨之邊長(zhǎng)，但相較于深V 艇，三體艇由于槽道及片體的存在，吸收了主船體的興波及噴濺，同時(shí)由于船體因?yàn)樗畡?dòng)升力與氣動(dòng)升力的存在，整體被抬起，從而減小了尾部的興波。

從艇底壓力分布來(lái)看，三體艇由艇底滑行面及槽道的水動(dòng)力及空氣動(dòng)力來(lái)共同支撐艇體，從而減小縱傾改善浮態(tài)；深V 艇在類似球首處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且主要支撐面處在船中至球首形成的三角區(qū)內(nèi)，流體對(duì)這一區(qū)域的抨擊較為嚴(yán)重，對(duì)船體的振動(dòng)及噪聲都有一定程度的不良影響。

分析上述數(shù)據(jù)結(jié)果可知：

1）在所選航速段內(nèi)，三體艇在過(guò)渡態(tài)阻力及縱傾角有較大的峰值，且在 Fr?=4.5時(shí)兩者均相較深V 艇有劣勢(shì)，從阻力及浮態(tài)的結(jié)果來(lái)看，超高速航速段為三體艇的最佳工作區(qū)間。

2）水面興波角度來(lái)看，三體艇由于片體及槽道的存在，使得對(duì)尾流的影響有較大的改善，且高航速時(shí)尾流收斂越明顯，有很高的隱蔽性。

3）船底動(dòng)壓力分布顯示，三體艇由主體滑行面及槽道共同支撐船體，改善船體的浮態(tài)，減小流體對(duì)船底的抨擊作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

在艇型外觀方面，三體艇相對(duì)于深V 艇有更大的內(nèi)部空間及更多的甲板面積，但在阻力及浮態(tài)方面，過(guò)渡態(tài)及大部分滑行態(tài)時(shí)均不及深V 艇，但是隨著航速的提高將逐漸進(jìn)入三體艇的優(yōu)勢(shì)工作區(qū)間，而且由于槽道及片體的存在，使得三體艇對(duì)尾流的影響更小，同時(shí)由于底部支撐面更大，在結(jié)構(gòu)上可有效降低噪聲及振動(dòng)。軍用上，可作為高速無(wú)人偵察艇，具有很高的隱蔽性及快速性，同時(shí)有利于設(shè)備的布置及正常工作，民用上，可作為對(duì)舒適性及安全性有很大要求的游艇船型。

本文僅從靜水阻力、浮態(tài)、興波及艇底壓力分布方面論證三體艇的可行性，在耐波性上仍需進(jìn)一步比較，以驗(yàn)證此船型的實(shí)用性。