阻流板水动力机理的初步计算研究

邓 锐，黄德波，周广利，孙华伟，闵景新

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001）

1 引 言

改善高速排水型船的性能主要是通过改善其绕流场来实现的，可采用的措施[1]有很多种，而安装附体是在不改变已有船型的基础上改善船舶绕流场最简捷的方法之一。在船体的绕流场中，尾流场的水动力特性是影响船体受力、航行姿态和主机功率的重要因素，因此，改善船体尾流场是使船舶获得较好水动力特性和运动性能的有效途径，也是近年来国内外专家关注的热点。目前，安装在船尾以改善船体尾流场的常见附体有：尾楔[2]、尾压浪板[3]、尾楔/板结合体[4]和垂向尾板[5]等。在尾楔和尾板的使用上，国内外都取得了很好的经验[6-7]，并且进行了理论和试验方面的研究[8-9]。阻流板[10]是近年来出现的新型附体，其类似于垂向尾板，在中小型高速船只上具有很大的应用前景[11]。阻流板通过对其周围流场及船尾后方流场的影响改善船体受力，此外，阻流板对航速调整和航态控制也具有重要作用[12]。据报道，国内有试验指出对于双体船尾阻流板深度与尾板宽度之比约为1%～2.5%最为恰当，此时减阻率可达6%～14%[13]。

尽管从工程应用角度而言阻流板的作用很大，实船在安装阻流板之后主机功率有一定幅度的减小，或相同主机功率下航速有所提高，但是阻流板对船体周围流场产生影响的机理、细节、以及各种参数变化带来的影响，很少有文献论述。加上阻流板对船尾自由液面亦产生影响，使得阻流板周围的流场更为复杂，研究难度更大。本文以二维船型为研究对象，基于粘性理论[14]，对阻流板产生作用的水动力机理进行了初步的探讨。

2 简化假设

船型是多种多样的，由于船体型线的不同，必然会对船体表面及其周围流动的过渡和分离以及旋涡的生成和位置产生影响。不同的船型与阻流板之间的干扰也有强有弱，对阻流板所产生的作用效果必然会带来不同程度的影响。如果仅采用一条带有阻流板的特定船型对阻流板产生作用的水动力机理进行研究，必然会产生一些局限性，作为基本的研究，第一步不是要探讨各个特殊条件下的特性，而是探索其共性的问题，为此，本文首先进行一些简化尝试，通过对简化后的模型进行研究探索基本的特性。作为初步机理探讨，研究过程中如果不考虑横向流动对阻流板前来流的影响，可以取带有阻流板的船体中纵剖面进行研究，将三维情况下的问题简化成二维情况；其次，减小船体曲率变化等因素的影响，将船体的底部用平板代替。在做出以上简化之后，研究模型就变成了带有阻流板的底部为平板的二维船型。取底部平板的长度为3 m；距离自由表面0.2 m，即吃水0.2 m；平板的前端加上流线型的导流段，后端作类似尾封板的垂直挡板；入口取为速度入口，距离平板前端2倍板长；出口为自由流出口，距离平板尾端3倍板长；采用VOF方法捕捉自由液面；自由液面之上保留高度为3 m的空气层。带有阻流板的二维船型示意图如下。

图1 二维船型Fig.1 Two dimensional ship

3 阻流板作用效果的初步探讨

在做出以上简化的前提下，首先对比一下不带阻流板和带有不同高度阻流板的情况下，流场和底部平板受力的变化。不带阻流板的情况即阻流板高度h为0 mm的情况；带有阻流板的情况下为初步比较不同阻流板高度下平板受力和流场的变化，取阻流板的高度h分别为3 mm、30 mm、300 mm，即阻流板高度取平板长度的1‰，1%和1/10。通常情况下阻流板的高度仅为船长的10-3量级，本文考虑上述的后两种情况仅仅是为了对不同高度阻流板的水动力效果进行对比研究。

取来流速度为4.6 m/s，流体域网格总数约为80万个。采用k-ωSST湍流模型和二阶迎风格式离散对流项，分别模拟以上情况下阻流板周围的流场，在计算收敛之后分别得到流场的情况。比较以上情况下平板后方尾流场的波形，如图2所示，h表示阻流板高度。

图2 平板尾流场（船首向左）Fig.2 Flow field after flat plate(bow head to the left)

从尾流场的波形上看，随着阻流板高度的增加，方尾的虚长度也相应地增加。在阻流板高度为3 mm的情况下，平板尾部的虚长度大于不带阻流板的情况，并且兴波情况并不明显；当阻流板高度继续增加时，虽然虚长度也在增加，但是由于阻流板对流体的阻挠作用显著，导致流线在平板尾后方有较大的跃起，兴波情况恶劣。可以看出，一定高度范围内的阻流板可以增加船体的虚长度，减小船体的兴波，但是阻流板高度过大时，反而会使尾流场的情况恶化。

计算在各种情况下平板和阻流板的受力如表1所示。

表1 阻力和升力Tab.1 Resistance and lift force

在表1中Rt表示阻力；Lf表示升力；Rt′为阻流板和平板的总阻力；Lf′为阻流板和平板的总升力；ε=Rt′/Lf′为阻升比。从表中的计算结果可以看出，在带有阻流板的情况下平板本身阻力减小升力增大。随着阻流板高度的增加，平板的阻力随之减小，升力随之增大。而阻流板自身不提供升力，并且作为垂直于来流方向的附体，随着阻流板高度的增加，其阻力迅速增大。由于此时二维船型的底部平板所受阻力主要成分为摩擦阻力，为验证计算结果的正确性，采用1957年ITTC推荐的公式计算不带阻流板的平板摩擦阻力系数，再计算出摩擦阻力为92.03 N，与不带阻流板情况下的计算值进行比较，数值计算结果误差约为7%，两者较为接近，说明数值计算的有效性。由表中的计算结果亦可见，随着阻流板高度的增加，阻升比的变化规律为先下降再增加。

综合以上计算结果可以看出，上述二维阻流板对流场的影响是比较明显的，对平板水动力性能的改变也比较显著，这种二维简化的分析对阻流板产生影响的水动力机理进行深入的研究是有参照意义的。

4 二维船型上阻流板作用的水动力机理

描述流场特征的主要参数有流场的压力和速度。将不同阻流板高度下阻流板周围流场的相对总压力和速度云图显示如图3。

图3 阻流板周围流场Fig.3 Flow field around interceptor

图3中x、y坐标的单位均为m。从图上所示的各种情况下流场压力和速度的分布可以看出，虽然阻流板产生影响的绝对范围较大，但是主要的影响区域仅仅限制在板前较小的范围内。综合以上不同阻流板高度的计算结果，阻流板主要影响区域大约在其前方10倍h，下方5倍h的范围内，而影响效果最为显著的区域大约仅仅是板前1～2倍h的范围。

基于以上结论，在不带阻流板和带有h=3 mm阻流板的情况下，分别在阻流板前方10倍h，阻流板下方5倍h，即平板下方6倍h的范围内分布监测点，对比两种情况下流场速度和压力的变化情况。监测点分布在13个剖面上，每个剖面分布19个监测点，共247个监测点。每个剖面上第一个监测点分布在平板表面，最后一个监测点分布在平板下方6倍h处。沿流动方向将这些剖面依次定义为1～13号剖面，1～10号剖面中相邻的两个剖面间距为3 mm，即1倍h；10～13号剖面中相邻的两个剖面间距为1 mm，第13号剖面与阻流板在同一平面上。监测点的分布范围基本包括了阻流板的主要影响区域，并且在阻流板前影响显著的范围内进行了加密。监测点的分布如图4所示。

图4 监测点分布Fig.4 Distribution of monitor points

同样考虑计算速度为4.6 m/s的情况，采用k-ωSST湍流模型，对流项的离散使用二阶迎风格式。以y表示监测点距离平板的距离，以l表示监测点距离阻流板的水平距离，以h表示阻流板的高度。将不带阻流板和带有3 mm阻流板两种情况下13个剖面上流场充分发展之后的速度和相对总压力分布显示如图5；其中V1表示不带阻流板情况下的合速度，V1x表示不带阻流板情况下沿平板方向的速度分量，P1表示不带阻流板情况下的相对总压力；V2表示带有阻流板情况下的合速度，V2x表示带有阻流板情况下沿平板方向的速度分量，P2表示带有阻流板情况下的相对总压力。

图5 各截面上速度和压力分布Fig.5 Velocity and pressure distribution on every section

从不带阻流板和带有3 mm阻流板两种情况下各个剖面上速度和压力分布的对比上看，带有阻流板的情况下，在阻流板前10倍h的位置，流体的速度几乎是平行于平板的，速度沿平板方向的分量大体上等于合速度，速度的分布形式也与无阻流板的情况下平板周围速度分布相似。由于阻流板对流体的阻碍作用，此处的流体速度虽然大体上平行于平板，但小于不带阻流板的情况，导致平板表面的压力大于不带阻流板的情况。随着与阻流板距离l的减小，带有阻流板的情况下，合速度有减小的趋势。在阻流板前约1～3倍h的范围内，出现了垂直于平板方向的分量，垂向速度分量随着l的减小而加大。这一现象表明流场的速度矢量发生了偏转，流线出现了弯曲。此时平板表面的相对总压力一直维持在一个较高的数值，大于不带阻流板的平板表面压力。据此推测，在阻流板与平板相交的位置，一定由于某种原因而产生了逆压梯度，导致阻流板前流速减小，接近阻流板的区域垂向速度分量增大，平板表面压力增大。为了探索这一现象的原因，将不同阻流板高度下阻流板附近速度分布显示于图6。虽然阻流板主要是为在高速情况下改善船体某些水动力性能而设计的附体，但是在做机理研究时应涵盖全速度范围，因此有必要再考察低速情况下流场的流动状况，研究在不同航速下流场的流动状况是否有本质差别。当航速为2.0 m/s时，对应的雷诺数约比航速为4.6 m/s时小一个量级，因此低速情况的研究取航速为2.0 m/s，同样比较带有3 mm阻流板情况下阻流板前的速度矢量，如图6所示。

图6 阻流板周围速度矢量Fig.6 Velocity vectors around the interceptor

由图6可见，在阻流板与平板相交的位置，阻流板前很小的范围内，存在旋涡，使得流线绕开旋涡，流体速度出现了垂直于平板的分量，并且导致阻流板前流速减小。从图中所示的速度矢量也可以看出，各种阻流板高度下旋涡的尺度都是很小的，与阻流板尺度可比，约为阻流板高度的1/2。在阻流板前约3倍阻流板高度的位置，即旋涡的前方，流线出现弯曲，随后绕开旋涡，直至船体尾部。即使是在低速情况下，阻流板周围的流动基本状况和速度分布形式与高速情况下仍然相近。

再给出带有阻流板和不带阻流板的情况下阻流板前30 mm，即10倍h范围内平板表面相对总压力分布的比较，如图7所示。

图7 相对总压力分布Fig.7 Relative total pressure distribution

相对总压力分布的对比表明，带有阻流板的情况下，在船体尾部下方有较高的压力。在阻流板前10倍h的范围内，带有阻流板的情况下相对总压力比不带阻流板的情况增大约15%，说明安装阻流板后会给船体尾部提供一定的升力。

5 结 论

通过上述的计算和分析可以看出，虽然尾部为平板的二维船型与真实三维船体有一定的差别，例如没考虑附体干扰、船体曲率变化的影响以及船体横向绕流，计算的结果当然也受到以上简化及来流速度和阻流板高度等因素的影响。文中的二维简化分析可以看作是实际二维船舶底部在纵中剖面两侧一定范围内流动的近似，而上述尾板下方的流动和受力计算结果则可以认为是实际三维船舶对应结果和趋势的定性分析，此处作为对阻流板作用机理初步探讨的定性分析论据。阻流板的水动力机理是：在阻流板与船底相交处会出现尺度与阻流板高度可比的旋涡，导致在阻流板前约3倍阻流板高度的位置流线开始出现弯曲而绕开旋涡，直至阻流板的底端。在此范围内，流体的速度比不带阻流板的小，从而使得船体在尾部的一定范围内产生高于不带阻流板时的压力，导致较大的升力。在阻流板前约3倍阻流板高度以外的区域，流体速度基本保持垂直于阻流板。

由于尾阻流板的作用，可以增大船体的升力，有利于减小船体湿面积，从而有利于降低船体摩擦阻力；对于一般的重心偏向船尾的船型，安装尾阻流板后能减小原来因兴波所形成的尾倾，从而改善航态；此外，安装尾阻流板后能形成比无阻流板情形下更长的楔形尾（即构成相对较长的虚长度），这对于高速船型会产生减阻作用。当然，对实际船型安装阻流板的具体方法还需要进行深入的探讨和研究。

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