压浪板对波浪中游艇航行的影响

1.集美大学轮机工程学院 2.福建省船舶与海洋工程重点实验室朱兆一林少芬支文峥陈清林蔡应强

压浪板对波浪中游艇航行的影响

1.集美大学轮机工程学院 2.福建省船舶与海洋工程重点实验室朱兆一1，2林少芬1，2支文峥1，2陈清林1，2蔡应强1，2

通过建立数值拖曳水池，采用数值造波技术对游艇的迎浪航行进行仿真，并通过对裸艇体和带压浪板艇体在波浪中航行受力与运动的对比，研究安装压浪板对游艇的阻力、垂荡、纵摇的周期和幅度等方面的影响。

游艇 数值水池 压浪板 波浪

0 引言

近年来，作为一种水上娱乐高级耐用消费品，游艇得到了迅速发展，人们对其快速性、舒适性等指标要求日趋严格[1]。游艇在波浪中航行时，激烈的纵摇将会造成螺旋桨露出水面发生飞车现象，并且“海豚运动”造成的艇底抨击容易产生材料疲劳破坏而致结构失效，导致机械和仪表失灵甚至艇毁人亡的事故[2]。压浪板具有调节艇航行纵摇、改善航行阻力的作用，目前无论是采用水池试验还是理论推导，主要是研究静水中压浪板对艇性能的影响，针对于波浪载荷下压浪板的作用效果研究还十分少见[3-5]。本文借助数值水池技术，研究压浪板的作用角度对游艇阻力、垂荡和纵摇周期、幅度等方面的影响。

1 数值造波技术

边界造波是数值水池试验中常用的造波技术，其方法是直接控制计算域的一部分边界（通常为入口边界）作为扰动源，在边界上布设波升和速度扰动量生成波浪。在有限水深中，入射波的速度势ϕ在固定坐标系下可表示为[6]：

其中，C0为系数，计算公式如下：

式中，ξ表示波幅，m；k表示波数；H表示水深，m；ω0表示波的自然频率，s-1。波面方程为：

式中，η为自由面在平均水面以上的垂直距离，m。

2 波浪数值水池的建立

本文研究的对象为一艘国内自主设计、制造的75尺游艇的水池试验模型，艇模的航速范围取为1.602～5.127m/s。本文采用STAR CCM+为CFD求解软件，用于计算域的设置、网格划分、计算求解及后处理等工作，并采用了DFBI运动模型和重叠网格技术，释放游艇垂向位移、横向转动自由度，以实现游艇航行姿态的自动调整[7-8]。采取切割六面体网格进行计算域内的网格划分，整体网格数约为290万，拖曳数值水池的计算域及边界条件见图1。

图1 计算域及边界条件示意图

数值波浪水池是在数值拖曳水池的基础上，通过边界造波技术制造VOF规则深水波，根据本游艇的建造级别，最大波高设置为0.194m，相当于实际波高为2m；波长为1.828m，等于游艇设计水线长；来流速度为4.165m/s，对应该艇的设计最高航速，建立好的波浪数值水池在初始时刻的水汽分布如图2所示。

图2 数值波浪水池初始时刻水汽分布

3 游艇迎浪航行的数值模拟

在数值波浪水池中，游艇的阻力、纵倾、重心垂向位移随时间的变化情况分别见图3、图4、图5，游艇在波浪中的运动姿态及绕流情况如图6所示。当计算物理时间超过1s后，游艇的航行阻力和纵倾均呈周期性变化趋势，变化周期约为0.307s，阻力波峰领先垂向位移波峰0.30个周期，领先纵倾波峰0.48个周期。航行阻力的峰值约为376N（图中显示阻力结果为整船阻力值的一半），一个周期内的阻力平均值约为97N，与在静水中航行时相比，阻力增加了35%。游艇的最大纵倾为6.2°，最小纵倾为2.5°，纵摇幅度为3.7°。航行中重心位置的升沉变化幅度约为0.023m。

图3 数值模拟计算阻力结果

图4 数值模拟计算纵倾结果

图5 数值模拟计算重心垂向位移结果

图6 数值波浪水池中的游艇

4 带压浪板游艇迎浪航行的数值模拟及分析

本文分别模拟了裸体艇、带0°压浪板、带10°压浪板和带20°压浪板的游艇在浪高为0.194m的数值波浪水池中航行时历经一个周期的情况。

4.1 压浪板对波浪中航行游艇阻力的影响

安装压浪板后，游艇的阻力峰值大小变化不大，始终在180N到200N之间，压浪板安装角度为0°、10°和20°时，航行阻力的平均值分别为96N、101N和114N，当安装角度为0°时，平均阻力减小1%，而当安装角度为10°和20°时，平均阻力增加4.1%和17.5%，然而这种周期性运动反而避免了艇体长时间处于艏倾状态，从而降低了“埋首”现象对阻力性能的不良影响。图7为裸艇体阻力变化，图8为当压浪板角度为10°时游艇阻力的变化。

图7 裸艇体阻力变化

图8 带压浪板游艇阻力变化 (α=10°)

4.2 压浪板对波浪中航行游艇姿态的影响

安装压浪板后，压浪板安装角度为0°、10°和20°时，游艇航行时的最大纵倾角分别为5.7°、3.4°和1.4°，纵摇幅度分别为3.5°、3.1°和2.8°，航行最大纵倾角度较裸艇体情况分别降低了9.5%、46.0%和77.8%，纵摇幅度较裸艇体情况分别降低了5.4%、16.2%和24.3%。图9为裸艇体纵倾变化，图10为当压浪板角度为10°时游艇纵倾的变化。

图9 裸艇体纵倾

图10 带压浪板游艇纵倾变化 (α=10°)

安装压浪板后，压浪板安装角度分别为0°、10°和20°时，游艇在波浪中垂荡运动在重心位置的幅值分别为0.023m、0.019m和0.02m。与裸艇体相比，幅值分别降低了0%，17.4%和13.0%。安装压浪板后，当压浪板安装角度分别为0°、10°和20°时，游艇重心位置向上的加速度最大值分别为13.0m/s2、9m/s2和6.3m/s2，相对于裸艇体情况分别下降了3.7%、33.3%和53.3%；游艇重心位置垂向向下的加速度最大值分别为6.0 m/s2、4.0 m/s2和3.1 m/s2，相对于裸艇体情况，分别减小了6.3%、37.5%和51.6%。

图11 裸艇体重心位移变化

图12 带压浪板游艇重心位移变化 (α=10°)

4.3 压浪板的减摇效果与波长的关系

减小纵摇幅度是压浪板对游艇在波浪中姿态调整作用的重要方面，为便于进一步研究在不同海况下，压浪板的减摇效果，本文分别对不同波长下游艇安装压浪板前后在波浪中的运动进行了模拟，波长范围为0.5L～2.5L（L为艇体设计水线长）。计算所得压浪板的减摇效果曲线如图13所示。由图可以看出，当波长小于艇长的一半时，压浪板无明显减摇效果，而当波长接近艇长的2倍时，压浪板的减摇效果最明显，约能使纵摇幅度降低20%。

图13 压浪板减摇效果随波长变化曲线

5 结论

本文以实艇模型为例，进行了游艇在波浪中航行的数值仿真，主要分析安装压浪板前后游艇的阻力、纵摇、垂荡运动的变化。结果表明，当游艇迎浪航行时，安装压浪板对游艇航行的纵摇、垂荡运动有降低其幅值的作用，并能降低垂荡过程中艇体的垂向加速度，但同时会增加游艇航行的阻力。压浪板的减摇效果与波长有关，当波长接近艇长的2倍时，减摇效果最佳，可降低20%的纵摇。

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