两栖轮式自行火炮航行阻力研究

郭昭蔚,潘玉田,范昱珩,杨 栋

(1.中北大学机电工程学院,山西太原 030051;2.中国兵器科学研究院,北京 100089)

本文以提高两栖轮式自行火炮水上航行速度为目标,研究影响其航速的主要因素——航行阻力。为了更好地处理航行阻力中的各种问题,按产生阻力的物理现象对阻力进行了分类研究。利用某轮式自行火炮静水拖模试验,采用“相当平板理论”与阻力换算法研究其实车的摩擦阻力和航行总阻力,通过CFD有限元数值仿真确定其形状阻力和兴波阻力,最后研究该火炮的航行阻力及其阻力构成的变化规律,为该类航行阻力的理论研究和计算公式的提出提供研究基础和研究方法。

1 两栖自行火炮水阻力的构成

两栖自行火炮航速较低,空气阻力基本可以忽略,通常将车体水阻力视作航行阻力。按照船舶的研究方法将水阻力分为摩擦阻力、形状阻力、兴波阻力和附加阻力。研究表明,对于两栖战斗车辆,由于其作战环境和任务的要求,它的外形结构与船舶有着根本的区别,水阻力的构成比例上产生了较大变化[1]。

摩擦阻力是由于水的粘性,当车体运动时在其周围形成“边界层”,从而使车体运动过程中受到粘性切应力作用,即车体表面产生了摩擦力,它在运动方向的合力便是车体摩擦阻力,用Rf表示,其构成规律与船舶基本相同。

形状阻力是由于水的粘性和车辆形状的影响,车辆航行时使水流速度场和压力场发生变化,车辆前后的水流出现明显的静压力差,这时作用在车辆侵水表面的水流静压力在航行相反方向分量的总和就是车辆航行的形状阻力,用R pv表示。由于结构外形的影响,其构成情况与船舶存在较大的差异。

船舶的兴波阻力基本上与航速的6次方成正比,随着航速的提高,兴波阻力急剧增加。对于两栖战斗车辆,航速较低,吃水线长度较小,其弗劳德数(Froude number)在航速较低时就可达到中高速船舶的弗劳德数范围,按照船舶理论其兴波阻力应该较大,但是由于航速不高,兴波阻力的绝对值并不大。兴波阻力用R w表示。

两栖自行火炮水中航行时,各种附属体也受到水阻力,这部分阻力称为附加阻力,可用R ps表示。水面以上的部分还受到空气阻力,按照船舶的一般算法,空气阻力常常计入车辆附加阻力之内一同计算。车辆的附加阻力是由形状阻力以及摩擦阻力所构成的,其大小多数情况下都是估计的经验数值。经查阅相关文献及资料,通常认为附加阻力的阻力系数与速度无关,一般船舶的附加阻力占总阻力的10%左右,两栖自行火炮有较大的方形系数,又受螺旋桨效应、空气阻力、复杂的外形和结构等因素影响,相关资料和试验表明,车辆在航速较低的情况下,车辆附加阻力的构成比例为其总阻力的35%～40%[1-3]。

2 拖模试验

某轮式自行火炮的拖模试验是在某大学船模试验水池进行的,水池尺寸为160m×7m×3.7m,水温为12℃,自行火炮模型采用钢板制作,车模比例为4∶1,模型经过配重、防进水等必要处理[4]。本次试验进行了7种航速下的测量,试验数据如表1所示。

表1 拖模试验数据Tab.1 Data of towing trial

3 航行阻力的分析计算

3.1 摩擦阻力计算

两栖轮式自行火炮摩擦阻力的构成规律与船舶基本相同,可以由计算相当平板的摩擦阻力与粗糙度增加的摩擦阻力之和来表示[4],即如下所示:

式中:R f为摩擦阻力;C f为摩擦阻力系数;ΔC f为附加阻力系数;ρ为水密度;v为车辆航行速度;S为车辆湿面积。

利用建模软件Solidworks对某轮式自行火炮底盘系统进行了三维实体建模,通过VB语言对Solidworks进行了宏命令的编程计算[5],获得车辆(裸车)湿面积为52.85m2,车轮湿面积为5.38m2,水线长7.9 m。

摩擦阻力系数按1957ITTC公式计算[4]:

式中:Re=Lv/ν为雷诺数;L为车辆水线长;ν为水的运动粘性系数(水温 12℃时为1.239×10-6m2◦s-1)。糙补贴系数 ΔCf的数值,一般取 ΔCf=0.4×10-3,模型尺寸和湿面积按车模比例计算。

根据式(1)、(2)计算可得到实车和模型的摩擦阻力,计算结果见表2。

表2 摩擦阻力计算结果Tab.2 Calcu lation resu lts of frictional resistance

值得注意的是,摩擦阻力的计算结果为车辆(裸车)与8个车轮分别计算之和,因为根据船舶相关理论,车轮应视为车辆附属物,需要另外计算。例如当航速v s=0.932 m◦s-1时,且取水的密度为ρ=1 000 kg◦m-3,计算裸车与轮子的摩擦阻力,分别为84.72 N和12.145 N×8,两者之和约为181.881 N。

3.2 模型和实车的阻力换算

拖模试验得到的是车体模型的数据,模型和实车阻力的换算可用三因次换算法,又称(1+k)法,此方法在1978年的ITTC会议上,被推荐为标准的换算方法[4]。

(1+k)法实车总阻力系数计算式为:

式中:Ctm、ΔCf及Caa分别为模型总阻力系数、粗糙度补贴系数和空气阻力系数;S及S bk分别为实车的湿表面积和舭骨面积;(1+k)为形状因子,仅与车体形状有关。

C fm、C fs分别为模型和实车的摩擦阻力系数,可用摩擦阻力公式计算得到:

根据弗劳德数Fr=0.1～0.2范围内的试验结果,用15届ITTC推荐方法确定(1+k)值:

上式中C tm及Fr可根据车模阻力试验数据求得,Fr的指数n视车型而异,其数值在2～6范围内变化。式(5)中的(1+k)、y和n根据车模试验结果用最小二乘法确定。

两栖自行火炮航行时,空气阻力可以忽略不计,取Caa≈0。ΔCf取值与前同,车模航行总阻力与实车航行总阻力的换算结果如表3所示

表3 航行阻力换算结果Tab.3 Resu lts of sailing resistance conversion

3.3 形状阻力仿真计算

目前对形状阻力的理论研究和计算方法还不够成熟,工程上一般也是引用船舶的半理论半经验公式,将船舶的经验公式直接引用到两栖装甲车辆上,存在较大的误差。实验方法成本高周期长,并存在一些不足。

近年来随着CFD技术的飞速发展和数值模拟方法的不断改进,运用CFD软件对两栖装甲车辆的水上性能分析计算的技术也不断完善,在获得整个车体周围流场的基础上,得到相应作用在车辆表面的静压力分布规律,通过积分计算可获得车辆的形状阻力[6-8]。

本文采用CFD软件Fluent建立两栖自行火炮航行态的计算模型,由前处理软件Gambit形成网格模型如图1所示,考虑到仿真计算的实际情况,模型相对车体进行了适当的简化处理。考虑所研究的对象航行速度较低,此时水处于不可压缩范围,故流体按三维不可压缩、非定常和粘性流动处理,认为流体温度恒定,湍流模型取 RNG K-e模型,计算采用二阶迎风差格式,边界条件设置为车辆正前方为流体速度入口,正后方为自由出口。

图2是在航速为1.11 m◦s-1时的车体侵水表面静压力云图,可以清楚地看到在车体首部和车辆迎水面压力较大,而车体首部和底部结合处由于流场的紊乱,压力反而比较小,这与实际情况相符。由车模阻力换算过程中得到的形状系数k=Cpv/C f≈1.7验证仿真结果,经计算对比,根据车模实验结果得到的粘压阻力系数,与仿真结果相差很小,在此认为仿真结果是可接受的。后处理得到7组航速下的形状阻力如表4所示。

表4 形状阻力仿真结果Tab.4 Simulation results of shape resistance

3.4 兴波阻力

由于两栖自行火炮的车型相比一般船舶比较丰满,首尾形状变化急剧,吃水深,其兴波阻力的构成与一般船舶已经有很大差别。船舶的传统分析方法一般将航行阻力分为摩擦阻力与剩余阻力两部分,因为在航速很小时,兴波阻力所占比例很小,这时的剩余阻力反映了形状阻力的变化情况。航速较高时,兴波阻力所占比例很大,这时剩余阻力反映了兴波阻力的变化情况。在这里,前面已经分别获得了实车总阻力、摩擦阻力、形状阻力和附加阻力,剩余阻力等于总阻力减去摩擦阻力,兴波阻力等于剩余阻力减去形状阻力和附加阻力,结果如表5所示。

表5 兴波阻力计算结果Tab.5 Ca lculation results o fwave resistance

4 计算结果与分析

将所有计算结果利用MA TLAB编制程序进行最小二乘法拟合,获得阻力-速度变化曲线,并将拟合曲线和计算值进行对比,如图3所示,图中曲线为拟合结果,点为计算值。

从图3和计算结果中,可以得到以下几点结论:

1)如图3(a)所示,航行阻力随着航速的增加而增加,在航速很小的时候,增长缓慢,这是由于这时的航行阻力主要由形状阻力、附加阻力和摩擦阻力构成。随着航速的继续增大,航行总阻力增长迅速,这是因为兴波阻力随速度的变化更为明显,数值急剧增大的原因。

2)图3(b)曲线为将阻力除以速度的平方之后随速度的变化曲线。可以看到,形状阻力、摩擦阻力基本上与速度2次方成正比,这与船舶相似。图中还可以看到兴波阻力曲线变化也已经非常平缓,基本上与速度的3次方成正比,故可以认为其计算公式形式如Rw=A+Bv+Cv2+Dv3,兴波阻力的变化规律与装甲兵工程学院的试验结果基本吻合。

3)随着航速的增加,形状阻力与摩擦阻力所占比例逐渐下降,兴波阻力所占比例却迅速上升,如图3(c)所示。研究两栖战斗车辆时,通常将形状阻力和附加阻力之和看作两栖战斗车辆的形状阻力,在航速较高的时候,这个总的形状阻力比兴波阻力所占比例要大,这主要是因为两栖自行火炮复杂外形和结构的影响造成形状阻力较大的原因,这与船舶有着很大的区别。

4)图3(d)给出了形状阻力和兴波阻力与剩余阻力随速度变化的对比关系,和船舶一样,在航速很低的时候,由于兴波阻力非常小,这时形状阻力为剩余阻力的主要成分,剩余阻力的变化趋势与形状阻力基本一致,随着航速的增大,兴波阻力增加很快,这时剩余阻力的变化主要体现了兴波阻力的变化。但由于两栖车辆的附加阻力很大,这时形状阻力仍然是剩余阻力的主要部分。

5 结 论

笔者探索了一条在借鉴相关资料和车型试验的基础上,通过软件二次开发和数值仿真技术,最终确定两栖装甲车辆的航行阻力及其阻力构成的方法,本文所用方法和计算结果可供两栖车辆航行阻力的理论研究借鉴。本文由于试验数据较少,计算机仿真分析模型的简化等因素,使得计算结果与实际数值有一定的误差,随着CFD技术的发展,利用计算机仿真分析的方法将能精确的分析航行阻力及其组成,为提高两栖战斗车辆航速的设计工作提供技术支持。

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