断级在倒V型槽道滑行艇上的应用研究

姬朋辉，袁 帅，魏 鹏，邹 劲

(1.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061；2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

倒V型槽道滑行艇充分吸收了双体滑行艇艇型结构简单和三体滑行艇水动力性能优异的特点，其两个片体的滑行面为内倾式、槽道横剖面形状为椭圆形。该艇具有航行阻力小、可见兴波小、波浪砰击小、纵向稳定性好以及良好的操纵性、宽敞的甲板面积等优点。

断级又称作断阶，是高速快艇常用的提高滑行效率、降低阻力的措施，其通常设置在艇底的中后部，使此处底部滑行面出现不连续的阶梯形状。与单体断级滑行艇不同的是，倒V型槽道艇因为内倾式滑行面和特殊槽道结构，并且槽道和滑行面又直接参与艇体运动姿态的控制，而艇体姿态又直接影响到断级的水动力性能和作用效果，因此对于倒V型滑行艇而言，断级的设置、作用机理以及是否能够起到减阻效果都需要讨论分析。

本文根据断级减阻的工作原理,创造性地提出了适合倒V型槽道滑行艇艇型特点的断级形式,并利用CFD技术验证了断级减阻的有效性。

1 倒V型槽道滑行艇艇型特点

倒V型槽道滑行艇属于双体滑行艇，具有双体滑行艇的典型特征：中间槽道和两个侧片体结构，见图1。但其外形结构又具有两个明显的特点：

(1)内倾式滑行面的侧片体。该艇的主体结构为两个大小相同的侧片体。内侧为艇底滑行面，滑行面剖面形式呈倒V型；外侧则为近似直壁的舷侧结构，在舷侧上设置了单个折角边和靠近槽道侧均设置了折角边。

(2)椭圆形槽道。两个侧片体间的槽道横剖面呈椭圆形，槽道两侧采用圆弧壁面，顶部为平直段，并在纵向上槽道宽度由艉部向艏部逐渐扩大。

2 CFD数值模拟方案

2.1 数值计算方案

对不可压缩牛顿粘性流动满足连续性方程和动量守恒方程[1]：

(1)

(2)

本文的湍流模型选择为SSTK-ω湍流模型。该模型综合了标准K-ε湍流模型和标准K-ω湍流模型的优点，能够在精确反应实际流动状态的基础上同时具有良好的计算稳定性和收敛性[2-4]。本文采用在船舶领域中最为常用的VOF法进行自由液面的求解。该方法可以解决两相交界面的稳态和瞬态等问题，代表了求解自由表面问题的主流思路。

2.2 计算域的设置

由于倒V型槽道滑行艇左右对称，为节约计算资源、提高效率，本文采用单侧模型计算。流体域为一长方体，因为艇体周围和自由液面附近的网格尺寸对计算精度有着明显影响，因此本文在艇体周围和水线面附近设置了两个加密区以便更加精确地捕捉自由液面和艇体周围的流场细节。流场域的具体尺寸大小和边界条件设置见图2，其中L代表船模船长。

图2 计算域划分示意图

本文的网格划分采用的是Star-ccm+软件自带的网格划分工具，网格类型为切割体网格。对于两个加密区网格尺寸设置如下：船体周围加密区采用各向同性加密原则，网格大小设置为6‰L；自由液面附近加密区采用各向异性加密原则，网格尺寸在x、y方向设置为20‰L，在z方向上设置为10‰L，船体表面设置为6‰L[5]。

倒V型槽道滑行艇作为最新提出的一种艇型，出现时间短，理论和实验研究的资料都极其匮乏。综合考虑，本文CFD计算采用模型计算。船模总长为2.5 m，宽为0.87 m，型深为0.31 m，重心位置在(0.75 m,0 m,0.22 m)处，排水量为130 kg。

3 断级在倒V型槽道滑行艇的应用

3.1 断级的设置方案

合适的断级结构不仅可以降低艇体的浸湿面积从而减小粘性阻力，而且还能够提升滑行面的滑行效率。滑行面设置断级后，水流在断级处分离，并在分离后形成通气区，而通气区的位置，应正好处在同一个没有断阶的滑行艇的艇底的低压区域。因为在折角线处流动开始分离的地方，单位长度的垂向水动力为最大，所以断级必须设置在这个位置后面一定距离的地方[6]。但由于倒V型槽道滑行艇滑行面为内倾式，即：其滑行面为内高外低而不同于普通滑行艇滑行面的内低外高，因此其断级的设置方案就需要特殊考虑。

有研究表明，对于断级高度的设置应取为2%～4%艇体折角线宽[7]，因此本文断级高度设置为3%艇体折角线宽即17.1 mm。对于断级的安装位置，文献[8]详细研究了断级安装位置对滑行艇阻力性能的影响，并建议：对于单断级滑行艇断级的安装位置应在1～1.4倍的艇体折角线宽。因此，本文将断级设置在距艉封板1.22B(B代表船宽)处，即距艉封板的距离为700 mm。而对于断级角度的设置，由于内倾式片体的存在，滑行面呈现出内高外低，为了使断级会更好地引入槽道的气体，发挥断级的减阻效果，倒V型滑行艇断级需设置成反向形式，即：断级与中纵剖面线所形成的锐角为30°。断级设置方案如图3所示。

图3 倒V型槽道滑行艇断级设计方案

3.2 倒V型槽道滑行艇断级的减阻机理

由图3看出，断级将倒V型槽道滑行艇的艇底滑行面分成两部分：由艇艏到断级间的滑行面为P1，由断级到艉封板间的滑行面为P2，其中P1在纵向长度上远大于P2。断级之所以起到减阻效果，除了每个滑行面的滑行效率得到提高外，还在于断级后空穴的形成，因此就有必要研究空穴形成的机理。

对于带有断级倒V型槽道滑行艇，水流经过断级处时由于滑行面P2突然上抬，水流和滑行面P2之间出现了脱体现象，水流经过一段距离后再重新打到滑行面P2上，这样就在断级后形成了一个类似真空的区域。由于该区域处在低压状态，能够将槽道内的空气从断级与槽道的开口处吸入，形成断级后的空穴。由断级处的压力分布可以看出，水流越过断级后在断级附近首先形成一个明显的低压区域，当再次与滑行面接触时又形成明显的高压区。

空穴形态随速度的变化见图4。由图4可以看到，当航速较低时，水流在越过滑行面P1后会迅速与滑行面P2接触，这样可供空穴存在的空间极小。另外，由于槽道内空气较少，断级能够引入的空气量也极少，因此断级后几乎没有空穴的形成。随着航速的提高，断级引入的空气量逐渐增大，水流越过断级的距离也不断增加，断级后的空穴形状和作用区域也不断增加。从图中可以看到，当航速为Fr=5.83，空穴覆盖了滑行面P2的大部分，此时断级的存在有效地减小了艇底的湿表面积。

图4 空穴形态随速度的变化

3.3 无断级与有断级倒V型槽道滑行艇性能比较

为了更好地探究本文设计的断级结构的减阻效果和减阻幅度，本文利用CFD技术，对无断级倒V型槽道艇与有断级倒V型槽道艇在相同的CFD计算方案下进行水动力性能计算，并对计算的结果进行了总结分析，得出验证性结论。

3.3.1阻力和艇体姿态对比

通过图5所示的阻升比(R/△)随体积傅汝德数Fr▽曲线变化发现：当航速较低时，设有断级的倒V型槽道滑行艇的阻力性能比较差；当滑行艇进入到滑行阶段以后，断级的减阻作用逐渐显现，且随着航速的增加，减阻的效果也愈加明显。当Fr▽=3.14时减阻效果为6.0%，Fr▽=4.49时减阻效果为6.2%，而当航速增加到Fr▽=5.83时减阻效果则达到了10.1%，即设有断级的倒V型槽道滑行艇在中高速段的阻力曲线更加平缓。由此可以看到，本文提出的断级结构对倒V型槽道滑行艇来讲具有明显的减阻效果。

有断级和无断级倒V型槽道滑行艇在航行姿态上也有比较明显的区别，两者的纵倾角、吃水随体积傅汝德数变化曲线分别如图6、图7所示。从图中可以发现，设有断级的倒V型槽道艇的纵倾值及升沉值在全速度段内均略大于无断级滑行艇。这表明断级的存在使得片体的排水体积减少，从而引起了艇体纵倾角和吃水都有不同程度的增加。

图5 有无断级阻升比对比曲线

图6 有无断级纵倾角对比曲线

图7 有无断级吃水对比曲线

3.3.2艇底压力分布对比

图8给出了两者的艇底压力分布云图。从图中可以看出，无断级的滑行面压力分布除在滑行面初次与水面接触的区域出现了一个压力峰值外，整体分布比较均匀； 而断级滑行面在断级之前的区域与无断级滑行面的压力分布几乎相同，也在滑行面与水面初次接触的区域出现了一个压力峰值，但在断级后两者的压力分布出现了显著的差别，带断级的滑行面出现了一个低压区域和一个高压区域。低压区域出现是由于断级空穴的形成和槽道气流的引入，高压区域的形成是水流在越过断级后再次打到滑行面上引起的。

为了进一步量化两者艇底压力分布的差别，本文取距中纵剖面0.2 m(0.25B)处的艇底压力为代表，对比分析断级对艇底压力分布的影响，见图9、图10，其中横轴表示距艉封板的距离，纵轴表示压力的大小。

对于艇艏部由水流驻点形成的压力集中区域，由于断级的存在使得该处压力峰值减小并且峰值位置也发生了小幅度的前移。对于艇底中后部的压力分布，无断级艇底压力分布均匀、连续，而断级使得倒V型艇底压力分布出现了剧烈振荡并呈现出不连续性，断级后小范围内出现了负压区域，之后压力又迅速升至峰值，该峰值随着航速的增加逐渐增大，峰值位置也逐渐后移；对于负压区随着航速的增加其负压值快速降低且作用区域逐渐增大。相比于无断级滑行艇，有断级滑行艇艇底艉部的压力峰值点压力值更大，位置也更加靠近艇体艉部，这会对倒V型槽道艇的纵向航行稳定性产生不利影响。

图8 Fr▽=4.49时艇底压力分布云图

4 结语

本文首先提出了适合倒V型槽道滑行艇的断级设置方案，解释了该断级方案的减阻机理，随后通过CFD方法对比分析了有、无断级的倒V型槽道滑行艇的水动力性能。计算结果表明：倒V型槽道滑行艇的艇底设置本文提出的断级，能够明显改变艇底压力分布，使艇底出现空穴，以减小艇体的湿表面积，在高速航行时能够明显降低艇体阻力(如：本文提出的断级设计方案在Fr▽=5.83时，减阻效果为10%)，且对艇体的航行姿态影响较小。

图9 不同速度下有断级艇底压力分布

图10 不同速度下无断级艇底压力分布