滑行艇简化模型流场数值模拟及改型研究*

陈克强 秦江涛

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

0 引 言

滑行艇是由艇底水动压力的垂向分量平衡绝大部分艇重来减小浸湿面积和总阻力,适于高速航行的一种艇型.该型艇广泛用于缉私、港监、水上公安、交通、军事等领域,其应用领域和工作性质使得追求高航速成为用户和设计人员十分重视的问题.通过设计合理的滑行面形状,可有效提高滑行艇的滑行效率,减小滑行阻力.本文针对这一问题进行相关研究.

1 滑行艇的简化模型及滑行面形状对阻力的影响

平底滑行艇为最简单的滑行艇艇型,其受力情况与滑行平板有相似之处.为此研究滑行艇的水动力问题,可以通过研究平板水动力问题来入手[1].对于以攻角α运动时的滑行平板,其阻力表达为

式中:Rt为总阻力;Δ为艇重,Rf为摩擦阻力.

当α为小角度时,cos α≈1,阻力近似为:Rt=Δ tan α+Rf.

即滑行艇的阻力可分为摩擦阻力Rf和剩余阻力Δ tan α 2 部分.剩余阻力 Δ tan α部分将随着攻角增大而增大,而攻角增大后会使浸湿面积减小,对减小摩擦阻力有利,因此存在一个对应于最小阻力的最佳航态角.通过调整航态,使滑行攻角等于或接近最佳航态角,可使阻力性能得到明显的改善[2].

如果滑行艇起滑后航态角过大,则会导致喷溅阻力较大.此时可在尾端加一下反角度的楔形板减小阻力,这已在实验和应用中得到了验证.图1为一固定平板尾部加楔型板前后的压力分布对比示意图:加装楔形板后的平板压力分布(图1 a))与未加装楔形板(图1 b))相比,尾部压力增大,整个板面的压力中心后移.滑行艇加装楔型板后为满足重力平衡条件必然会减小航态角,从而减小过大的剩余阻力.航态角偏小也不是理想的情况,此时湿表面积过大,影响快速性,甚至导致不能顺利起滑[3].

实践中,一般采用调整重心纵向位置的方法来调整航态.但是滑行艇重心纵向位置往往会受船舶布置的限制而使航态无法达到理想的状态,此时可采用调整滑行面的方法解决这一问题.本文利用FLUENT软件对滑行艇简化模型的水动力特征进行数值模拟,从而指导对滑行艇滑行面的改型.

图1 楔形板对二元滑行面压力分布影响示意图

2 简化模型的数值模拟

通过FLUENT软件进行滑行艇简化模型两相流的数值模拟.计算模型取一攻角为3°的三元板,Fr=1.12.计算域及部分边条设置如图2所示(图中,L0=4 m):

图2 计算域及部分边条设置示意图

入口边界分别为水和空气速度入口 u=u∞,v=w=0.

壁面边条 u=v=w=0及k=0.

式中:u,v,w为速度U在笛卡尔坐标系中的分量;φ为除压强外的其他流动变量;k为湍动能;ε为比耗散率.

两相流的数值模拟基于VOF方法,设置楔形板前水、空气交面处参考压强为大气压,采用隐式格式求解RANS方程,对流项和扩散项采用二阶迎风差分[4].

计算得到该三元板的水动压力等值线分布如图3所示.

图3 三元板水动压力等值线图/Pa

三元板边缘处由于直通大气,该部分区域特别是尾部区域压力最低,能够提供的升力 L=Pcos α(P 为板面压力;α为攻角)很小,但是通过计算发现这部分低升力区域的摩擦阻力与高升力区域摩擦阻力差别不大.

3 滑行艇改型及实验验证

即针对滑行艇航态角偏小的情况,上述改变滑行面形状的方法降低阻力有2个原因:(1)使艇底压力重新分布,压力分布更为合理,利于减小阻升比;(2)调整航态角,减小浸湿面积从而减小粘性阻力.

3.1 改型方法及阻力实验

为验证上述计算及改进方案,针对某型艇作了改型.并在605所高速水池进行了改型前、后的阻力实验.

滑行艇模型长11 m,艇宽3.2 m,船舯底升角26°.改型将滑行艇的尾端中部挖了一个隧道,隧道沿船长3个站(全船20站):见图4,并去掉了艇底尾部边缘部分矩形区域,宽约5 cm,沿船长2.5个站踞,去掉的面积约占起滑后湿面积的5%.

图4 改型后模型的滑行面尾部

3.2 实验结果及结论

实验结果显示:在起滑后的高速段,总阻力降低约7%.阻力曲线如图5所示.

图5 Rt-Fr曲线图

并非所有的滑行艇经过这样改型都可降低阻力,这与滑行艇是否以最佳航态角航行有很大关系.该艇在改型前滑行时航态角很小,与静浮航态角十分接近,才考虑了通过该方法进行改型,改型后航态角略为增大.如果滑行艇航态角偏大,上述方法改型可能对降低阻力反而不利,而且改型减小了滑行面积和水线长度将使海豚运动的几率增加.

4 结 束 语

通过通用软件进行船舶流体力学的研究是一个较为有效的方法,与实验相比,可以获得更为丰富的流动细节;另外,滑行艇的滑行面对其航态与阻力的影响较大,通过合理的布置滑行面,可有效的提高滑行艇的滑行效率并减小其滑行阻力.

[1]董祖顺.快艇动力学[M].武汉:华中理工大学出版社,1991.

[2]赵连恩,韩端峰.高性能船舶水动力原理与设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2001.

[3]郭值学.高性能船的发展与前景之管见(一)[J].中国造船,2001,42(4):73-82.

[4]Gao Qiuxin.Numerical simulation of free surface flow around ship hull[J].Journal of Ship Mechanics,2002,6(3):1-13.