新型高速艇的CFD模拟和对比分析

魏子凡，井升平，杨松林

江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003

新型高速艇的CFD模拟和对比分析

魏子凡，井升平，杨松林

江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003

高速艇具有体积小、航速高、智能等优点，可以完成搜救、探测、导航和作战等多种任务，广泛应用于军民用领域。研究高速艇的阻力性能对艇体的型线设计和艇体的流体动力学性能分析都显得十分重要。设计一种新型高速艇，通过NUMECA系列软件对不同的高速艇进行数值模拟计算，以研究此类新型高速艇的水动力性能。研究表明：加装水翼或防飞溅条均可增加艇体的升力，使艇体更快地处于滑行状态，安装了防飞溅条的翼滑艇的阻力性能良好。

高速艇；CFD模拟；阻力性能；防飞溅条；水翼

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160729.0945.008.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：魏子凡，井升平，杨松林.新型高速艇的CFD模拟和对比分析［J］.中国舰船研究，2016，11（4）：22-28.

WEI Zifan，JING Shengping，YANG Songlin.CFD simulation and comparison analysis of a new type high-speed boat ［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（4）：22-28.

0　引　言

高速艇由于航速高的特点，以及艇上可以安装雷达、声呐、摄像机等武器设备，已经被广泛应用于军民用领域。另外，随着作战方式的变革以及电子信息技术的迅速发展，未来战场将主要使用无人作战系统，因此各国越来越重视对水面高速无人艇的研究，高速艇将是海洋作战的重要途径和探索海洋的重要工具［1-4］。

数值模拟作为一种新兴和有效的工具，可以有效地提高具有复杂系统的工业设计效率［5］。研究船舶的水动力性能时，经常使用模型试验、经验公式估算和数值计算方法，但经验公式估算存在精度和适用性问题，模型试验存在成本和试验环境等问题，而数值计算方法可以科学、真实地模拟计算船舶运动的情况，避免了试验的局限性。因此，随着数值计算方法的不断成熟和计算机技术的不断发展，数值模拟将成为船舶水动力性能分析的重要手段，并得到广泛应用。本文将使用NUMECA系列软件对不同工况的4种高速艇进行数值模拟计算，研究新型高速艇的水动力性能，并进行阻力分析。

1　几何建模

本文主要介绍一种新型无人翼滑艇的设计过程，对有8种不同规格防飞溅条的滑行艇以及4种艇型进行几何建模，包括：滑行艇、有防飞溅条滑行艇、翼滑艇和有防飞溅条翼滑艇。设计的新型高速艇是指有防飞溅条的新型无人翼滑艇，相比一般的高速艇，翼滑艇的结构更为复杂。表1所示为船模主尺度。表2所示为在船模基础上放大4倍所得的实艇参数。CFD阻力计算的海水密度为1 026.021 kg/m3。

表1　船模主尺度Tab.1　Model specifications

1.1防飞溅条设计

为改善滑行艇的性能，通常采用一些特殊艇型，例如断级艇和槽道滑行艇等。无论是军用还是民用，对滑行艇的适航性要求越来越高，这些特殊形状的艇型往往难以满足要求。

1）舭防飞溅条。防飞溅条在高性能艇的两侧安装，一般呈带状或条状，起到抑制水花喷溅，增加滑行面宽度的作用，也可以适当降低艇体受到的兴波阻力，增强艇体的稳性。研究表明：在折角型艇的折角线位置安装适当的防飞溅条，无论对控制飞溅性能或增大艇体底面的升力效应都有一定影响［6］。根据科尔贝的试验结果，当向下倾斜的舭防飞溅条具有较小的15°倾角时，其抑制喷溅的能力反而比有较陡的45°倾角时要好［7］。因此，本文设计的防飞溅条采用15°倾角，如图1所示。

图1　防飞溅条剖面图Fig.1　Cross-section profile of splash-proof strip

2）设置防飞溅条。在1.5 m船模基础上，为滑行艇折角线处安装的防飞溅条设置了8组不同规格，如表3所示。以表中型号22-46为例，0号站防飞溅条宽（前宽）22 mm，5号站防飞溅条宽（后宽）46 mm，0～5站防飞溅条宽呈等差数列。图2为型号22-46的防飞溅条三维视图。

表3　8种防飞溅条尺寸Tab.3　Size of eight kinds of splash-proof strip

图2　防飞溅条三维模型Fig.2　Three-dimensional view of splash-proof strip

1.2新型高速艇设计

在1.5 m船模基础上，于艇艏部安装了一个水翼，水翼剖面形状为平凸弓型，平面形状为矩形翼。为了保证艇的运动稳定，确保良好的推进性能和构造简单，选用全浸式水翼。共选取64种不同几何尺寸的水翼，水翼剖面相对厚度一般在0.04～0.09之间，选取0.07。水翼支柱选取剖面形状为NACA 0012的翼型剖面。弦长为水翼弦长的4/5。水翼展长与艇宽比值选取0.5，0.55，0.6，0.65。水翼展弦比选取5，6，7，8。水翼攻角选取0.5°，1°，1.5°，2°。

图3所示为滑行艇和翼滑艇的三维模型。翼滑艇艏部安装的水翼展长与艇宽比为0.5，展弦比为7，攻角为0.5°，水翼位置距艇艏0.2倍艇长，水翼相对浸深为2。为进一步改善滑行性能，在翼滑艇的两侧安装了防飞溅条，如图4所示。

图4　安装防飞溅条的新型翼滑艇三维模型Fig.4　Three-dimensional view of the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip

2　数值模拟

数值模拟是指依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法来研究工程等各类问题。进行数值模拟的第一步要建立能反映问题本质的数学模型［8］。现代数值模拟计算通过参数的精确设置已经可以接近真正的试验，随着计算方法的进步，数值模拟的水平会越来越高，效果也会越来越逼真［9］。

CFD作为一种结合了近代流体力学、数学和计算机科学的计算流体动力学软件，以电子计算机为计算工具，综合多种离散化的数学方法，可以对流体力学问题进行计算机模拟、数值实验和分析研究来解决各种实际问题。CFD软件的结构一般由前处理、求解器和后处理3部分组成。

FINE/Marine是一款由NUMECA公司为船舶与海洋工程设计的CFD软件包，图5所示为主要软件构成与操作流程。由图可知，该软件包括了网格生成器HEXPRESS、后处理工具CFView和不可压粘性流场求解器ISIS-CFD。对于船舶工程问题的模拟都可以通过使用FINE/Marine界面的设置计算实现，无需通过二次开发功能，这为工程师提供了极大的方便［10］。

图5　FINE/Marine的主要软件构成与操作流程Fig.5　Composition and operation process of FINE/Marine software

本文CFD数值模拟的计算速度设置如下：艇体从静止状态以1/4正弦加速，在1 s时达到设定航速，然后匀速航行。首先，指定初始速度V0，初始时间t0。然后，以1/4正弦曲线加速至指定时刻t1，达到指定航速V1。最后，以V1匀速航行。

2.1网格划分

图6和图7所示分别为HEXPRESS生成的新型高速艇的整体网格和局部网格。

图6　新型高速艇的整体网格图Fig.6　Overall grid map of a new type of high-speed boat

图7　新型高速艇的局部网格图Fig.7　Local grid map of a new type of high-speed boat

2.2后处理

后处理过程由数值模拟和数值分析两个部分组成。数值模拟过程，指将网格模型的每个面以数值形式表现，包括分析处理几何区域的选择、几何面激活、网格面选择、流场参数选择、流面构建、坐标系创建等操作。数值分析过程，指要输出所激活面上的参数，对选定几何区域的流场参数进行分析。矢量分析的相关内容包括体流线、面流线、矢量场和矢量积分等。标量分析的相关内容包括云图、等值线图、质量加权平均、面积平均，以及沿曲线曲面积分和标定任意点值等。

图8～图11为带有防飞溅条型号46-22的翼滑艇压力云图，该模型各参数见1.2节和图3。从图8中可以看出，防飞溅条处的压力较大，且图8（b）的滑行面较图8（a）小。从图9中可以看出水翼上的压力较大，且图9（b）滑行面比图9（a）的滑行面小。图10示出了艇体运动时水线面处的压力云图和压力等值线分布图。从图11可以看出，当有防飞溅条的翼滑艇进入滑行状态时，主要由水翼提高升力。

从以上4种艇体在V=10 m/s相同速度下的滑行面来看，有防飞溅条的翼滑艇滑行面最小，其次是翼滑艇，再其次是有防飞溅条的滑行艇，最后才是滑行艇。因此，防飞溅条的设计和水翼都可以有效地加快艇体进入滑行状态。

图8　滑行艇底面压力云图（V=10 m/s）Fig.8　Pressure distributions on the bottom of planing boat （V=10 m/s）

图9　翼滑艇底面压力云图（V=10 m/s）Fig.9　Pressure distributions on the bottom of gliding-hydrofoil craft（V=10 m/s）

图10　有防飞溅条的翼滑艇水线面处的压力云图和等值线分布图（V=10 m/s）Fig.10　Pressure distributions and contours on the water-plane of gliding-hydrofoilcraftwith　splash-proofstrip （V=10 m/s）

图11　有防飞溅条翼滑艇的侧面压力云图（V=10 m/s）Fig.11　Pressure distributions on the side of gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip（V=10 m/s）

3　阻力分析

3.1不同防飞溅条的比较

针对型号0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js的水翼对比分析了不同防飞溅条，其中0.5b表示水翼展长为0.5倍的艇宽，7zxb表示水翼展弦比为7，0.5du表示水翼攻角0.5°，0.2L表示水翼位置距艇艏0.2倍艇长，2js表示水翼相对浸深为2。分析结果如图12和图13所示。图中：Fx，Fxv，Fz分别为单位排水量下的总阻力、摩擦阻力和升力；G为重力。表4为分析得到的不同型号防飞溅条在V=10 m/s时的最大升力与重力比值（Fz/G）。

从表4所示最大升力重力比可以看出，当体积傅汝德数（Fr▽）达到2.86时艇体已经处于滑行状态。由图12可以看出，艇体加速时单位排水量升力和单位排水量总阻力随时间增加而增加，当达到设定航速时，艇体匀速航行，此时单位排水量升力继续增加，单位排水量总阻力减小，最终升力上升和阻力下降都趋于平缓。由图13可以看出，总阻力中的摩擦阻力占比也最终趋于平缓，其值较小，在2%左右变化。综合来看，型号40-28，43-25和46-22的防飞溅条具有较好的阻力性能，其中型号40-28的最好。

图12　不同防飞溅条翼滑艇的单位排水量总阻力和升力随时间变化曲线（V=10 m/s）Fig.12　Time histories of the total resistance and lift of unit displacement for the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strips（V=10 m/s）

图13　不同防飞溅条翼滑艇的升力与重力比和摩擦阻力成分随时间变化曲线（V=10 m/s）Fig.13　Time histories of the lift-gravity ratio and frictiontotal-resistance ratio for the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strips（V=10 m/s）

表4　不同型号防飞溅条在V=10 m/s时的最大升力与重力比Tab.4　Maximum lift-gravity ratio of various sizes of splash-proof strip at the speed of V=10 m/s

3.2不同艇型的综合比较

1）对主艇体、水翼、防飞溅条尺寸相同的4种艇型进行阻力分析，包括：滑行艇、有防飞溅条滑行艇、翼滑艇和有防飞溅条翼滑艇。图14～图17为分析的结果。

图14～图17中4种艇体编号如下:（1）Bare hull：滑行艇；（2）46-22：具有防飞溅条的滑行艇；（3）0.5b-7zxb：翼滑艇（水翼展长为0.5倍艇宽，展弦比为7，攻角0.5°，距艇艏0.2倍艇长，相对浸深为2）；（4）46-22-0.5b-7zxb：加水翼型号0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js和 防 飞 溅 条 型 号46-22。裸艇体重力19 362.91 N，Fr▽=2.86。

图14～图15对比了4种艇型的单位排水量阻力和升力、升力与重力比、摩擦阻力与总阻力比，得到的阻力性能好坏依次如下：有防飞溅条的翼滑艇—翼滑艇—有防飞溅条的滑行艇—滑行艇。当V=10 m/s时，有防飞溅条的翼滑艇艇体升力已大于重力，艇体已经达到滑行状态，而此时滑行艇的升力与重力比最高只有0.65左右。

图14　不同艇型的单位排水量总阻力和升力随时间变化曲线（V=10 m/s）Fig.14　Time histories of the total resistance and lift of unit displacement for four types of hull（V=10 m/s）

图15　不同艇型的升力与重力比和摩擦阻力成分随时间变化曲线（V=10 m/s）Fig.15　Time histories of the lift-gravity ratio and friction-total-resistance ratio for four types of hull（V=10 m/s）

由图16可知，当有防飞溅条的翼滑艇（Boat，型号46-22-0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js）V=10 m/s时，艇体3个部分提供升力的结果是：主艇体（Hull）最大提供73.69%的艇体重力；水翼（SY）最大提供21.34%的艇体重力；防飞溅条（Fei）最大提供8.28%的艇体重力。由图17可知，对于4种艇型的纵倾角变化，有防飞溅条的滑行艇的纵倾角反而最小，翼滑艇纵倾角最大，因此防飞溅条可以减小艇体的纵倾角。综合来看，加水翼或防飞溅条都可以增加艇体升力，使艇体更快地进入滑行状态。加水翼的效果比加防飞溅条的效果好，而同时加水翼和防飞溅条的艇体更能改善滑行艇的阻力性能。

图16　艇体各部分的升力与重力比随时间变化曲线（V=10 m/s）Fig.16　Time histories of the lift-gravity ratio of every part of boat for four types of hull（V=10 m/s）

图17　4种艇型纵倾角随时间变化曲线（V=10 m/s）Fig.17　Time histories of the trim angle for four types of hull （V=10 m/s）

2）在型号46-22防飞溅条的滑行艇上安装最小水翼和最大水翼方案。最小水翼指水翼展长为0.5倍艇宽，展弦比为8，攻角为0.5°。最大水翼是指水翼展长0.65倍艇宽，展弦比为5，攻角为2°。2个水翼分别距艇艏0.2倍艇长，相对浸深为2。两种方案的分析结果如表5所示。该表中列出了安装最大水翼、最大攻角以及最小水翼、最小攻角时艇的整个艇体、主艇体、水翼和防飞溅条共4个部分的最大升力与重力比。

表5　艇体各部分的最大升力与重力比（V=10 m/s）Tab.5　Maximum lift-gravity ratio of every part of boat（V=10 m/s）

由表5所示，在Fr▽=4时，对比两种方案下的最大水翼升力与重力的比值可知，设计的水翼可以提供28.54%～71.10%艇重的升力。从图18曲线变化的趋势看，对于最小水翼、最小攻角下的运动，在前1 s加速的过程中，水翼（SY）和防飞溅条（Fei）提供的升力一直增大，但幅度较为平缓，而主艇体（Hull）的升力先增大后减小，但1 s后快速增加，提供了主要的升力来源。从图19曲线变化趋势看，对于最大水翼、大攻角下的运动，水翼（SY）和防飞溅条（Fei）提供的升力一直增大，但防飞溅条的升力幅度较为平缓，水翼的升力上升很快，提供了主要的升力来源。

图18　最小水翼、最小攻角时艇体各部分的升力与重力比随时间变化曲线（V=10 m/s）Fig.18　Time histories of lift-gravity ratio of every part of boat with the smallest hydrofoil and minimum angle of attack for four types of hull（V=10 m/s）

4　结　语

本文对一种具有防飞溅条的翼滑艇进行了几何建模，设计了8种不同规格的防飞溅条和64种水翼，通过NUMECA系列软件对不同工况下的高速艇进行数值模拟计算，来研究新型高速艇的水动力性能。研究表明：加水翼或防飞溅条均可增加艇体的升力，使艇体更快地进入滑行状态，其中加水翼的效果较防飞溅条的好。同时，加水翼和防飞溅条的艇体更能改善滑行艇的阻力性能。

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CFD simulation and comparison analysis of a new type high-speed boat

WEI Zifan，JING Shengping，YANG Songlin
College of Marine and Shipbuilding Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China

The high-speed boat has the advantages of small volume，high-speed，and intelligent control，which can complete search and rescue，detection，navigation，combat，and other tasks，and it has been widely applied in military and civilian fields.Particularly，studying the rapidity performance of high-speed boat is of vital importance for the boat design and analysis of fluid dynamics performance.In this paper，a new type of high-speed boat is presented，whose hydrodynamic performance is analyzed and compared with different high-speed boats through numerical simulation in NUMECA software.The results show that hydrofoil and splash-proof strip can improve the lift force of the boat，helping the boat enter the planing state faster.Moreover，it is seen that the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip has good resistance performance.

high-speed boat；CFD simulation；resistance performance；splash-proof strip；hydrofoil

U661.31

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.004

2015-12-03网络出版时间：2016-7-29 9:45

国家自然科学基金资助项目（51379094）

魏子凡（通信作者），女，1990年生，硕士生。研究方向：船舶优化设计。

E-mail：jkdwzf@163.com

杨松林，男，1956年生，教授。研究方向：船舶运动及其控制，船型综合优化。

E-mail：ysl560516@vip.163.com