基于CFD的波浪中截流板減阻效果研究

齊健璋 毛筱菲

(武漢理工大學(xué)船海與能源動力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)高性能艦船技術(shù)教育部重點實驗室2) 武漢 430063)

0 引 言

截流板是一種安裝于船艉底部的附體，也被稱為阻流板、擾流器、攔截器、艉插板、艉擾流板等，通常安裝于船艉艉封板下緣.適當(dāng)尺寸的阻流板能夠降低阻力，改善船舶快速性.Zaninovic[1]將截流板應(yīng)用于一艘半排水型船舶模型上，確定了截流板減阻和調(diào)節(jié)航態(tài)的效果.在此基礎(chǔ)上，截流板的應(yīng)用被推廣到高速滑行艇、雙體船、多體船、乃至中低速大型商船等多種船型上[2-5]，其中高速船應(yīng)用最為普遍.對于截流板減阻效果的影響因素，主要是船底以下伸出的長度(即截流板的浸深)，其次則是航速、船型等.截流板能夠使船舶尾傾減弱，艉部流場得到改善，抑制船體興波，降低船舶阻力，根據(jù)航速、船型等因素進行截流板浸深的主動控制能夠起到更好的減阻效果[6-9].同時，截流板還能夠改善船舶耐波性，抑制船舶縱搖[10].隨船體當(dāng)前航態(tài)實時主動控制截流板浸深，能夠相應(yīng)提供不同大小的升力，更好地抑制縱搖.如在船艉兩側(cè)非對稱地實時主動控制截流板浸深，還可以抑制橫搖，且能夠輔助船舶進行回轉(zhuǎn)運動，提高操縱性.目前，瑞典的Humphree公司、意大利的LA.ME.公司等均有開發(fā)并商用基于截流板的航態(tài)控制系統(tǒng).

隨著計算資源的井噴式爆發(fā)和計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法被越來越多地應(yīng)用到截流板的研究中.Brizzolara[11]基于CFD技術(shù)分析了截流板的減阻效果和對船舶的影響，并驗證了數(shù)值模擬和模型試驗的一致性.現(xiàn)如今，關(guān)于截流板減阻效果的研究多關(guān)注靜水中的減阻效果和機理，對截流板在波浪中的水動力效果研究較少，截流板對船舶在波浪中水動力性能的影響是否和靜水中具有一致性值得探討.

文中針對某登陸艇模型，基于重疊網(wǎng)格DFBI方法，對其光體和帶有截流板的模型進行靜水直航CFD模擬，并與模型試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證.在此基礎(chǔ)上，進行了該模型艇在規(guī)則波迎浪中的運動模擬，分析截流板對模型艇在規(guī)則波中航行時阻力和縱搖、升沉響應(yīng)特性的影響.

1 CFD數(shù)值模擬

數(shù)值模擬計算流場屬于三維、兩相、黏性的不可壓縮流體流動，對于湍流的模擬采用雷諾平均法，有控制方程為

(1)

(2)

(3)

數(shù)值模擬計算對象為某登陸艇模型，外觀見圖1a)，其設(shè)計航速對應(yīng)體積傅弗勞德數(shù)Fr=1.194，處于1.0

表1 模型艇尺度比與船型系數(shù)

常規(guī)意義上的截流板為垂直于水平面的平板，而用于模擬中的截流板為一扇形柱狀板，繞模型艇艉封板下緣為軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對截流板浸深的控制，浸深變化范圍為0～0.025%船長.搖動式截流板在起到傳統(tǒng)直板作用的同時，也具有一定的壓浪板效果，能夠改善艉部截流板處的流動，對其浸深的定義取垂直方向投影面上的等效浸深，示意圖見圖1b).

為模擬過渡型艇航行時周圍流場，建立了圖1c)的計算域.該數(shù)值波浪水池為一長方體，船前1倍船長，船后5.5倍船長，船側(cè)50%倍船長，自由液面以下75%船長，自由液面以上40%船長.計算使用對稱半模，入口、頂部以及底部邊界條件設(shè)置為速度進口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口.

采用動態(tài)重疊網(wǎng)格技術(shù)，在船體附近設(shè)置重疊網(wǎng)格區(qū)域，為了能夠精確捕捉自由液面、滿足重疊網(wǎng)格插值精度要求，在自由液面處和重疊區(qū)域及附近區(qū)域分別進行了網(wǎng)格加密，由于截流板與船體尺度相差過大，對截流板附近區(qū)域進行額外加密.船體表面邊界層采用棱柱層網(wǎng)格，權(quán)衡計算精度與效率，設(shè)定6層棱柱層網(wǎng)格，Y+值控制在100以下，重疊網(wǎng)格劃分見圖1d)，背景網(wǎng)格與重疊網(wǎng)格數(shù)共366萬.

圖1 三維模型與CFD設(shè)置

2 帶有截流板的模型艇靜水直航數(shù)值模擬

截流板的減阻效果與航速、船型、截流板浸深有關(guān).對于CFD模擬中使用的搖動式截流板，可用轉(zhuǎn)動角度、浸深船長比、最大浸深百分比三個參數(shù)表示，三者一一對應(yīng)，帶有截流板的模型艇靜水直航數(shù)值模擬計算工況見表2.

表2 模型艇靜水直航數(shù)值模擬工況

根據(jù)經(jīng)驗，CFD數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度在船舶航速較高、航行姿態(tài)發(fā)生變化時相對較差.為驗證計算方法、網(wǎng)格劃分方案的可靠性，將有無截流板的模型艇在兩種較高航速(航行進入過渡階段)工況下的數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)阻力數(shù)據(jù)平均誤差4.753%，最大誤差5.698%，縱傾角平均誤差6.023%，升沉平均誤差8.336%，總體誤差較小，故認(rèn)為使用該重疊網(wǎng)格計算方案進行數(shù)值計算可以較為準(zhǔn)確地預(yù)報過渡型艇不同傅汝德數(shù)下的靜水阻力，對縱傾、升沉的預(yù)報也有較高的準(zhǔn)確度.誤差數(shù)據(jù)見表3.

表3 CFD與EFD數(shù)據(jù)對比

圖2為不同浸深截流板對不同航速下模型艇凈水阻力和縱傾角的影響.由圖2a)可知：當(dāng)模型艇Fr<0.54，F(xiàn)r<1時，航行處于排水階段，截流板的使用并沒能減小靜水阻力，反而會使阻力增大，截流板浸深越大，阻力增值也就越大；而隨著航速的提高，當(dāng)航行進入過渡階段后，截流板漸漸產(chǎn)生了減阻效果，航速越高，減阻效果也就越明顯；截流板的減阻效果存在明顯的航速界限，界限航速約為Fr=0.47，F(xiàn)r=1.04.由圖2b)可知：在某一航速下截流板存在減阻效果最好的最優(yōu)浸深.由圖2c)可知：模型艇航行從排水階段到過渡階段，截流板均能起到減小縱傾的效果，較低航速時縱傾減小的幅度較小，隨航速升高，縱傾減小的幅度逐漸增大.由圖2d)可知：在某一特定航速下，縱傾角會隨著截流板浸深增大而減小，這種調(diào)節(jié)效果隨截流板浸深增大而減弱，當(dāng)浸深較大時縱傾調(diào)節(jié)效果幾乎不再隨縱傾角改變而提升.

圖2 不同浸深截流板對不同航速下模型艇凈水阻力和縱傾角的影響

圖3將不同浸深(轉(zhuǎn)動角度)截流板的模型艇靜水直航艉部流場、自由液面和船底壓力繪圖，截流板的浸深(轉(zhuǎn)動角度)從上到下依次排列.由圖3可知：在較高航速下，水流在經(jīng)過艉封板下緣時受到了截流板的擾動，發(fā)生彎曲，從截流板下方“繞過”船艉，直至距離艉部一定距離處.在船艉處流速也因此有所減小，隨著截流板轉(zhuǎn)動角度增大，截流板浸深增加，水流在船艉處受阻礙后流速降低，虛長度隨之逐漸增加，使船艉興波得到改善，壓差阻力降低；與此同時，船艉受到的抬升力也有所提升，模型艇縱傾角減小，艉傾問題得到改善.

圖3 不同浸深(轉(zhuǎn)動角度)截流板對模型艇靜水直航艉部流場、自由液面和船底壓力的影響

3 帶有截流板的模型艇在波浪中航行數(shù)值模擬

船舶在實際海域中航行，會因波浪作用在船身上的力產(chǎn)生六自由度搖蕩運動，因而會出現(xiàn)失速現(xiàn)象，影響船舶快速性.在靜水中截流板對模型艇運動影響的研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)值波浪水池進行數(shù)值造波，模擬有無截流板的模型艇在波浪中的運動，探討在波浪中截流板是否依然能夠起到減阻效果、截流板對模型艇在波浪中水動力性能的影響是否和靜水中具有一致性，此部分計算工況見表4.

表4 規(guī)則波迎浪中有無截流板的模型艇運動數(shù)值模擬工況

3.1 數(shù)值造波

采用邊界造波法，通過直接控制計算域入口邊界作為擾動源，在邊界上布設(shè)波高及速度擾動量來生成波浪.為判斷數(shù)值波浪水池是否滿足數(shù)值仿真的要求，在船艏前方50%船長位置設(shè)置探針作為監(jiān)測點，進行波面抬高數(shù)據(jù)的采集.

3.2 有無截流板對模型艇在波浪中阻力的影響

對有無截流板的模型艇在不同頻率(波長)規(guī)則波中的運動進行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖4.

圖4 不同波長規(guī)則波中模型艇總阻力、摩擦阻力、壓差阻力和縱搖、升沉運動頻響曲線及造波驗證

由圖4a)可知：對于該模型艇，截流板均能使模型艇在波浪中的總阻力降低，說明截流板在波浪中能夠?qū)δＰ屯鸬綔p阻作用.在波長船長比較小時，截流板減阻效果相對更強，而隨著波長增大，減阻效果逐漸減弱.由圖4b)～4c)可知：在波陡0.01的迎浪規(guī)則波中，模型艇以設(shè)計航速航行時，在波長船長比1.2以下的區(qū)域內(nèi)，截流板的使用能夠抑制縱搖和升沉運動，而在波長較長的區(qū)域內(nèi)則反而會加劇縱搖和升沉運動.由圖4d)～4e)可知：截流板的使用均能使摩擦阻力和壓差阻力都有所降低.相比于壓差阻力，摩擦阻力在模型艇總阻力中占比更低，截流板的減阻效果大部分來源于壓差阻力的降低.當(dāng)波長較小時，截流板使模型艇壓差阻力降低的效果更強，而隨著波長增大，壓差阻力降低的幅度也越來越小，截流板的減阻效果逐漸減弱.

將帶有截流板的模型艇在不同波長下的自由液面波形、船底壓力分布和船艉底部流場作對比，見圖5.模型艇以設(shè)計航速在波陡0.01的迎浪規(guī)則波中航行時，波長較短的波浪中帶有截流板的模型艇船艉流場更為舒緩，模型艇的阻力更小.

3.3 有無截流板對模型艇波浪增阻的影響

船舶在波浪中航行時會出現(xiàn)失速現(xiàn)象，與船舶在靜水中航行時的阻力值相比，波浪中的阻力增值即為波浪增阻.由圖4a)總阻力曲線來看，截流板對不同波長規(guī)則波中模型艇的總阻力都是有降低效果的，為更好地了解截流板減阻的水動力機理，對截流板對波浪增阻的影響及不同成分阻力增值的變化規(guī)律進行分析.

波浪增阻系數(shù)是將帶有截流板模型艇在波浪中的阻力與其在靜水中的阻力做差得到的，本質(zhì)上反映的是帶有截流板的模型艇在波浪和靜水中的差異，而非截流板對模型艇波浪中阻力的影響.為此，將帶有截流板模型艇在波浪中的阻力，與無截流板的光體模型艇在靜水中的阻力做差計算，類似于波浪增阻系數(shù)Caw，定義相對光體波浪增阻系數(shù)Cawb，二者定義為

(4)

(5)

圖6為有無截流板的模型艇在不同波長規(guī)則波中的波浪增阻情況.

圖6 有無截流板的模型艇在不同波長規(guī)則波中的波浪增阻情況

由圖6a)可知：不同波長的規(guī)則波中，光體的波浪增阻要普遍小于帶有截流板模型艇的波浪增阻；由圖6b)可知：在波長0.5～2.4時，帶有截流板的模型艇的Cawb小于光體模型艇的Cawb，說明在大部分波浪成分中，截流板的使用能夠使模型艇的波浪增阻減??；而從數(shù)值上看，在波長船長比0.5～1.5時，帶有截流板的模型艇Cawb為負(fù)值，在這一范圍內(nèi)帶有截流板的模型艇在波浪中的阻力比光體在靜水中的阻力更??；值得注意的是，在波長船長比0.5處，帶有截流板的模型艇Cawb比光體小得多，這可能是來源于短波區(qū)巨大繞射增阻的影響.由圖6c)～6d)可知：模型艇在波浪中的摩擦阻力增值在波浪增阻中占比小，而壓差阻力增值占比較大；模型艇在波陡0.01、波長不同的規(guī)則波迎浪中以設(shè)計航速航行，在波長船長比1.5以上時，摩擦增阻系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，帶有截流板的模型艇，其波浪中的摩擦阻力比在靜水中的摩擦阻力更小.究其原因，是因為模型艇航態(tài)在這一波長范圍內(nèi)得到顯著改善，濕表面積較靜水中更小，摩擦阻力也隨之減?。坏诓ㄩL船長比1.2以上時，帶有截流板的模型艇，其壓差增阻系數(shù)要比無截流板的光體壓差增阻系數(shù)更大.

3.4 特定波浪中截流板減阻效果的航速界限

對于在靜水中航行的模型艇，截流板的減阻效果存在航速界限，當(dāng)航速高于界限時能夠起到減阻效果，航速時低于界限時減阻效果不明顯，甚至反而會導(dǎo)致阻力增加.而在波浪中，模型艇的阻力、航行姿態(tài)都會發(fā)生變化，波浪中截流板對模型艇的減阻效果是否依然存在相似的航速界限、波浪中截流板減阻效果隨航速的變化規(guī)律與靜水中是否具有一致性等都值得討論.

圖7為不同航速下有無截流板的模型艇在特定波浪中的總阻力、相對光體波浪增阻和縱搖升沉運動.

圖7 不同航速下有無截流板的模型艇在特定波浪中的總阻力、相對光體波浪增阻和縱搖升沉運動

由圖7a)可知：在波長等于船長、波陡0.01的規(guī)則波迎浪中，截流板存在減阻效果的航速界限(圖中星標(biāo)位置)，界限值在模型艇Fr=0.450(Fr=0.997)到Fr=0.540(Fr=1.194)之間，也正是模型艇航行狀態(tài)從排水階段到過渡階段的交界處，隨著航速升高，減阻效果也越發(fā)明顯.由圖7b)可知：在波長船長比等于1、波陡0.01的規(guī)則波迎浪中，帶有截流板的模型艇在排水階段的Cawb要比光體Cawb更大，而在過渡階段則遠(yuǎn)小于光體Cawb，在過渡階段Cawb出現(xiàn)負(fù)值，說明使用截流板的模型艇在波浪中的阻力甚至比光體在靜水中的阻力更小，截流板的使用在較高航速時能夠有效降低波浪增阻.由圖7c)～7d)可知：在波長等于船長、波陡0.01的規(guī)則波迎浪中，不同航速下使用截流板均能夠使模型艇縱搖幅值下降；升沉幅值的變化與阻力類似，在較低航速下使用截流板能夠使升沉幅值升高，在較高航速下則能夠使升沉幅值降低.總的來說，截流板在模型艇以較高航速(航行處于過渡階段)航行時能夠有效改善其耐波性.

圖8為不同航速下有無截流板的模型艇在特定波浪中運動的流場、船底壓力、波形云圖.由圖8可知：隨著航速增加，截流板的減阻效果越發(fā)明顯，虛長度顯著增加，并且在船艉底部截流板附近形成了高壓區(qū)域，雞尾流并沒有因截流板的使用而表現(xiàn)出大幅度的減小，在較高航速時，截流板反而會增大興波波幅.但在低速段(排水階段)，模型艇船艉后方?jīng)]有明顯的雞尾流形成，而是形成漩渦，虛長度不明顯，使用截流板反而會導(dǎo)致船艉底部水流被干擾，導(dǎo)致模型艇阻力增加.

圖8 不同航速下有無截流板的模型艇在特定波浪中運動的流場、船底壓力、波形云圖

從截流板的作用機理分析，其減阻效果主要通過降低船舶縱傾實現(xiàn)，當(dāng)模型艇處于較高航速時會出現(xiàn)抬艏現(xiàn)象，水流經(jīng)過船底艉封板處時流動因截流板而發(fā)生改變.根據(jù)伯努利原理可知，截流板的存在會在船底艉部附近提供升力，使得船舶縱傾和升沉運動受到抑制，船艉虛長度增加，船長傅汝德數(shù)等效降低，航態(tài)得到改善，從而降低總阻力；但當(dāng)模型艇航速較低、處于排水階段時，航態(tài)本就比較穩(wěn)定，水流速度也不足以在船艉產(chǎn)生虛長度，截流板的使用會造成船艉處阻力增大.

4 結(jié) 論

1) 使用重疊網(wǎng)格DFBI方法，能夠準(zhǔn)確地模擬帶有截流板的過渡型艇在靜水和波浪中的運動，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合良好，誤差較小.

2) 在靜水中，截流板對于航速較高、航行處于過渡階段的模型艇具有減阻和調(diào)節(jié)縱傾的效果，而對于航速較低、航行處于排水階段的模型艇，雖然同樣能夠調(diào)節(jié)縱傾，但反而會導(dǎo)致阻力增大，截流板在靜水中的減阻效果存在航速界限，約在0.997

3) 當(dāng)模型艇以設(shè)計航速(Fr=0.540)在波陡為0.01的規(guī)則波迎浪中航行時，浸深為0.00125倍船長的截流板在波長船長比0.5～3.0的各波浪中均能使船舶總阻力下降，縱搖和升沉運動也得到抑制，盡管波浪增阻系數(shù)升高，但截流板帶來的波浪增阻依然小于其減阻效果；在相同浸深下，截流板減阻效果的航速界限與靜水中相似，減阻效果會隨航速升高而提高，同時總阻力、相對光體波浪增阻和升沉運動幅度均有所減小，而縱搖運動在高低航速段均因截流板的使用而得到抑制.