某輪式兩棲車水動力仿真分析與性能優(yōu)化

摘" " 要：輪式兩棲車由于車輪處凸起和開槽，其外形結(jié)構(gòu)與常規(guī)船體相比具有較大的差異，水上運動性能也更加復(fù)雜。用傳統(tǒng)理論計算，很難準(zhǔn)確估計其水阻力及其分布。本文采用水動力分析軟件FLUENT對初始設(shè)計模型進行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果和各區(qū)域壓力分布情況，對車體外形和重量重心分布進行多輪有針對性的優(yōu)化，并對最終優(yōu)化結(jié)果進行仿真分析和水池試驗驗證，最后得出滿足初始任務(wù)目標(biāo)要求的車體構(gòu)型。該項工作可為后續(xù)兩棲車車體構(gòu)型設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：輪式兩棲車；壓浪板；航行姿態(tài)；噴濺

中圖分類號：U664.34 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

Hydrodynamic Simulation Analysis and Performance Optimization

of a Wheeled Amphibious Vehicle

LONG Kejun1，" FANG Xianjin2，" CUI Yaofei2

（ 1.The Military Representative Office of the Naval Department in Guangzhou， Guangzhou 510656;

2.Guangzhou Marine Engineering Corporation，" Guanghzhou 510250 ）

Abstract： Due to the protrusion and slotting at the wheels， the shape and structure of the wheeled amphibious vehicle is quite different from that of the conventional hull， and the water motion performance is also more complex. With traditional theoretical calculations， it is difficult to accurately estimate the water resistance and its distribution. In this paper， the hydrodynamic analysis software FLUENT is used to simulate and analyze the initial design model， and according to the simulation results and the pressure distribution in each region， the shape and weight center of gravity distribution of the vehicle body are optimized for multiple rounds， and the final optimization results are simulated and verified by the water tank test， and finally the vehicle body configuration that meets the requirements of the initial mission objectives is obtained. This work also provides a reference for the subsequent design of the amphibious vehicle body configuration.

Key words： wheeled amphibious vehicle;" wave pressure plate;" sailing attitude;" splash

1" " "引言

登陸艇和兩棲車輛發(fā)展歷史悠久，最早可以追溯到二戰(zhàn)時期[1]。其中兩棲車輛是能夠通過陸地和水路行駛的特殊車輛。根據(jù)其設(shè)計特點，在陸地和水上航行過渡過程中不需要太多的準(zhǔn)備時間和作業(yè)[2]，所以在復(fù)雜地形的海灘登陸、島礁運輸補給、河流渡河、水上巡邏和救援任務(wù)中發(fā)揮了重要作用，被廣泛應(yīng)用于各類軍事和民用場景。

水陸兩棲車的陸上性能設(shè)計主要參照成熟的陸上行駛車輛的相關(guān)技術(shù)，該部分技術(shù)相對成熟可靠。水上性能特別是水動力性能主要參照小型高速船艇的相關(guān)技術(shù)和理論。但小型高速艇一般都有相對成熟固化的流線型外殼，其阻力和水動力性能也有一套相對成熟的仿真分析和經(jīng)驗估算方法。兩棲車特別是輪式兩棲車由于車輪處凸起和開槽，外形一般都不規(guī)則，對其阻力等航行性能具有較大的影響，采用經(jīng)驗公式估算誤差較大。在進行兩棲車輛的總體性能特別是水上航行性能設(shè)計時，傳統(tǒng)的方法主要是通過模型的拖模試驗研究水上性能[3-4]。但拖模試驗不能全面測定車輛各部分的受力組成和分布，并且拖模試驗也需要耗費大量的時間和經(jīng)費。

數(shù)值仿真分析可在兩棲車早期概念方案開發(fā)中快速對車體各部分的阻力情況進行定性分析，為在較短周期內(nèi)進行多個方案對比分析及多個影響因素的優(yōu)化方案提供高效的驗證。

輪式兩棲車在水上航行時的阻力受壓浪板、航行姿態(tài)、首尾部收縮形狀、車輪凸起及開槽形狀等諸多因素影響。為了較好分析阻力分布特征并進行合理優(yōu)化，本文采用商用CFD仿真分析工具，對某輪式兩棲車初始車型進行了仿真分析，初步得出對應(yīng)尺度下兩棲車的航態(tài)和阻力。在此基礎(chǔ)上根據(jù)仿真結(jié)果對車體外形進行了航行性能優(yōu)化。

2" " CFD數(shù)值計算原理及方法

2.1" "初始及邊界條件設(shè)定

本次分析采用有限體積法（FVM）對兩棲車附近的外流場進行仿真模擬，利用成熟的商業(yè)軟件FLUENT對其在不同速度下的阻力進行計算。采用描述湍流運動的時均Navier-Stokes方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡稱RANS）作為控制方程[5]。采用SST 湍流模型對上述動量方程進行封閉。采用VOF方法對自由液面進行追蹤模擬。

相比于大型排水型船舶，兩棲車的傅汝德數(shù)相對較高，兩棲車在靜水中航行時會跨過過渡狀態(tài)達到滑行的狀態(tài)，在這個過程中，車體在水中的姿態(tài)相較于靜止?fàn)顟B(tài)會有非常大的變化，車體會出現(xiàn)較大的艉傾，縱傾角在躍峰時達到最大，隨后又隨航速的增大而下降，車體整體會有一個較大的抬升，排水體積變小。針對這種情況，在計算阻力時放開兩棲車縱搖和垂蕩方向上的自由度，模擬兩棲車在水中的航行狀態(tài)。

針對兩棲車在高速時有較大的運動姿態(tài)變化而移出加密區(qū)域的情況，本次分析采用基于重疊網(wǎng)格的方法來解決上述情況帶來的計算誤差變大的問題。由此計算區(qū)域及邊界條件的設(shè)定如圖1所示。

由圖1可知，計算區(qū)域的入口采用速度入口，即給定速度的大小和方向，由于消波區(qū)的存在，出口處流體已經(jīng)平穩(wěn)，因而將出口邊界條件設(shè)為靜壓出口，出流面上的流動情況由區(qū)域內(nèi)部外推得到，對上游區(qū)的自由液面沒有影響。考慮流體粘性對車體運動的影響，車體邊界條件設(shè)為無滑移剛性壁面，本兩棲車為左右對稱結(jié)構(gòu)，因此采用一半結(jié)構(gòu)計算以節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量和計算時間，中間平面設(shè)為對稱平面。

2.2" "網(wǎng)格劃分與設(shè)定

在網(wǎng)格處理過程中要考慮車體的三向曲率曲面特征，生成的網(wǎng)格應(yīng)貼體，準(zhǔn)確反映計算模型；其次由于車體附近速度梯度較大，應(yīng)該進行局部網(wǎng)格加密，便于準(zhǔn)確捕捉速度、壓力等物理量的變化；第三自由液面對車體受力起到很大的影響，在自由液面附近也應(yīng)該適當(dāng)加密，盡可能的對自由液面進行捕捉；最后實車?yán)字Z數(shù)很高，因此離散流體域的網(wǎng)格不能過于粗糙，但是過于精細(xì)的網(wǎng)格將給流體域的離散帶來驚人的網(wǎng)格數(shù)量，甚者導(dǎo)致計算無法進行。所以，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)量以兼顧計算的精度和效率。本次分析選用對流域捕捉比較完整且計算精度最高的Trimmed網(wǎng)格（以六面體為核心的網(wǎng)格）對流域進行劃分。

為了精確捕捉車體周圍擾流的情況以及自由液面的變化，對車體周圍和自由液面進行了局部加密，邊界層的選取考慮了第一層厚度對車體受力的影響，經(jīng)加密處理后計算模型的網(wǎng)格數(shù)量控制在102萬左右，如圖2～圖3所示。

2.3" "計算結(jié)果收斂判定

求解過程中，動態(tài)監(jiān)視計算的收斂性，一般有兩種方法：一是殘差監(jiān)控法，殘差是網(wǎng)格各個邊界的通量之和，當(dāng)收斂后，理論上當(dāng)單元內(nèi)沒有源項時各個面流入的通量也就是對物理量的輸運之和應(yīng)該為零。最大殘差反映流場與所要模擬流場的差距；殘差越小越好，由于存在數(shù)值精度問題，不可能得到0殘差，對于單精度計算一般應(yīng)該低于初始?xì)埐钜韵录纯?；二是水動力性能監(jiān)控法，即關(guān)閉殘差監(jiān)控，只關(guān)心數(shù)值迭代過程中阻力，轉(zhuǎn)角，加速度，升沉以及選定流場中某點平均速度的相對誤差在相鄰兩個迭代步是否滿足周期性變化條件。在本次分析中，由于車體自身開放了自由度，第二種監(jiān)控方法從實際效果看更能滿足工程需要。

3" " 計算結(jié)果及優(yōu)化建議

3.1" "初始方案仿真分析

針對初始設(shè)計模型，開展了初步數(shù)值仿真，利用水動力計算模型對初始模型在25 km/h和36 km/h速度下的阻力及航態(tài)進行預(yù)報，結(jié)果發(fā)現(xiàn)初始模型的情況下在航速超過36 km/h的情況下就出現(xiàn)了海豚運動。其計算結(jié)果如圖5所示。

從圖5和圖6可以看出，在25 km/h的航速下，車體的縱傾角已經(jīng)達到了17°左右，車頭抬升情況嚴(yán)重，而在航速在36 km/h的情況下，車體的縱傾角出現(xiàn)了周期性的波動，這表明車體由于航速過快，出現(xiàn)了“海豚運動”，此時推進器會出現(xiàn)出水和飛車情況，阻力的計算值已經(jīng)沒有了參考意義。根據(jù)以上計算分析，該方案難以滿足工程設(shè)計需要，需要進行設(shè)計優(yōu)化。

3.2" "首次優(yōu)化及仿真分析

針對縱傾角過大和海豚運動現(xiàn)象，先后通過調(diào)節(jié)重心縱向位置和添加壓浪板進行優(yōu)化。

1）調(diào)整重心進行優(yōu)化

針對初始模型在36 km/h的航速下出現(xiàn)海豚運動的情況，將車體的重心縱向位置由原來的1.835 m調(diào)整至1.6 m位置（即車體重心進行前移），然后進行仿真模擬計算，其計算結(jié)果如圖7、圖8所示。

對圖7、圖8與初始設(shè)計方案的仿真計算結(jié)果進行對比可以發(fā)現(xiàn)，在重心前移之后，在25 km/h的航速下，車體的縱傾角由17°下降至13°附近，此時車體的阻力也隨之相應(yīng)下降。在36 km/h航速下，雖然車體的縱傾角度變化范圍相比于初始模型有了下降，但仍然出現(xiàn)了海豚運動。

2）在尾部增加壓浪板進行優(yōu)化

針對初始設(shè)計和重心優(yōu)化后仍然出現(xiàn)海豚運動的情況，在重心前移的基礎(chǔ)上，又在車體尾部添加了長度為340 mm，下壓角度為10°的壓浪板，以此來改善車體的縱傾，其模型如圖9所示。

通過增加壓浪板和前兩個方案的仿真計算結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，在添加了壓浪板之后，車體的縱傾角進一步下降至8°附近，此時，車體的阻力相較于無壓浪板狀態(tài)有一定的提升。在36 km/h速度時，車體的縱傾角穩(wěn)定在4.5°附近，略有波動，但波動范圍不大，車體的阻力也有輕微波動，此時的阻力較25 km/h時有較大的回落。當(dāng)航速達到50 km/h時，車體的縱傾角進一步下降，穩(wěn)定在2.5°附近，車體總體抬升較大，阻力較36 km/h時又有回升。

基于仿真計算結(jié)果，開展了模型試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在模型試驗過程中，出現(xiàn)了嚴(yán)重的埋首和首部噴濺的現(xiàn)象，造成阻力急劇增加。根據(jù)試驗現(xiàn)象并分析產(chǎn)生的原因，開展了第二輪優(yōu)化。

3.3" "針對埋首和首部噴濺的二輪優(yōu)化

根據(jù)第一次水池試驗的現(xiàn)象，分析原因是前輪處開槽過大，破壞了車體底面的完整性，造成前部動升力不足，車首抬升不明顯，同時來流在輪胎開槽處減速堆積造成高壓區(qū)，加上車首部型線過于垂直，且前輪的擋板處的折角線設(shè)計進一步加劇了擋水的效果，造成了阻力飛升和車首水流噴濺。基于以上原因分析提出多個新的模型方案并通過數(shù)值計算仿真分析優(yōu)選出性能最好的方案。通過修改艏部型線使首部飛濺現(xiàn)象有了較為明顯的改善，并最終確定車體外形方案。

4" " "最終設(shè)計方案水池試驗驗證

為了對最終優(yōu)化確定的外形設(shè)計方案進行定量分析，確保其滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。通過水池試驗進行了驗證?？紤]本車體功能任務(wù)和使用需要，主要針對阻力和耐波性兩個方面進行了試驗驗證。

在阻力方面針對不同重心位置進行了水池試驗驗證和分析，如圖12，其趨勢和仿真分析結(jié)果基本一致，可作為浮心調(diào)整和后續(xù)系統(tǒng)設(shè)備布置的依據(jù)。

在耐波性方面，通過水池試驗測量了最終設(shè)計方案在不同航速下的狀態(tài)變化情況（如圖13）。同時對不同航速下迎浪耐波性結(jié)果進行了測量和預(yù)報，預(yù)報結(jié)果顯示該優(yōu)化方案可滿足特定海況下安全航行的要求。

5" " 結(jié)語

1）基于CFD手段建立了車體水動力性能快速仿真數(shù)值模型，通過該數(shù)值模型可對初期車體外形方案進行快速預(yù)報并根據(jù)預(yù)報結(jié)果給出車體設(shè)計優(yōu)化建議方案，從而較快確定一個比較好的外形設(shè)計方案，可作為新車型開發(fā)前期設(shè)計優(yōu)化的非常有效的手段。

2）調(diào)整重心位置可有效改善縱傾角，但對海豚運動的抑制作用不明顯，并且不同航速段保證阻力性能最優(yōu)的車體最佳重心位置不完全一致，需要針對具體需求開展最優(yōu)重心位置設(shè)計；增加壓浪板可有效改善縱傾角并對海豚運動有較好的抑制作用，可作為此類車體設(shè)計優(yōu)化的有效手段。

3）第一次優(yōu)化后在水池試驗中出現(xiàn)的埋首和首部噴濺現(xiàn)象，未能在仿真分析中發(fā)現(xiàn)，后續(xù)還原仿真分析過程也未能找出原因，需要在后續(xù)持續(xù)開展研究。

參考文獻

[1]Robert Latorre， Julio Arana. Reduction of Amphibious Vehicle Resistance and

Bow Swamping by Fitting a Wave Cancellation Bow Plate[J]. American Society

of Naval Engineers， 2011 （ 4 ） ：" 81-89.

[2]Sergei Abdulov1， Ilya Trusevich， Alexander Volkov. Ensuring the Amphibious

Capabilities of the Amphibious Vehicle Based on the Hydrodynamic Buoyancy

Principle[C]. MATEC Web of Conferences， 2018.

[3]鄭翔玉，賈小平，于魁龍，等.某輪式兩棲車水上行駛阻力數(shù)值模擬[J].

裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報， 2007 （ 2 ） ：" 50-54.

[4]鄭翔玉，賈小平，劉西俠.小型高速兩棲車水上行駛阻力數(shù)值模擬[J].

艦船科學(xué)技術(shù)， 2008 （ 3 ） ：" 139-142.

[5]趙彬，張敏弟，劇冬梅.基于動網(wǎng)格的兩棲車航行姿態(tài)數(shù)值模擬[J].

兵工學(xué)報， 2015， 36 （ 3 ）" ：" 412-420.