基于改进叠模方法的两栖车航行阻力成分研究

孙旭光， 李 勇， 韦 韬， 孙晓策， 周中锋

(1.中国北方车辆研究所,北京 100072； 2.江麓机电集团有限公司,湘潭 411100; 3.海军研究院,北京102442)

履带式两栖车在水动力学研究领域是一类特殊的航行体，一般称为“水面钝体”，其阻力特性与常规船舶差异明显，对两栖车的水上航速和航态有直接影响，可以通过分析其阻力构成与影响因素，有针对性地开展车辆低阻水动力构型设计，提高两栖车的水上航行速度.为深入了解履带两栖车阻力产生机理，本研究基于CFD数值仿真计算工具Fluent，提出了以“改进叠模”为主要技术路线的形状阻力分离方法.通过对不同航速下绕车体的速度矢量分布、绕车体兴波波形变化、车体表面压力变化分析，获得某履带两栖车航行阻力成分构成.其构成与拖曳模型试验结果基本符合.

1 两栖车航行阻力成分的一般研究方法

两栖车的航行阻力成分分析，通常借鉴水面船舶水动力学的研究方法，分为两类.第一类按照“功能部件”进行划分，即分析车体构型、部件或其他附体各自在总阻力中所占比例.第二类按照“流动机理”进行划分，即按照流体作用机理，分析摩擦阻力、形状阻力、兴波阻力等成分.

1.1 功能部件研究方法

采用第一类阻力成分划分方法，即“功能部件”方法，分别对车体构型、部件、附体等对车辆航行阻力的影响，与两栖车航行阻力进行比对，得到各功能部件在总阻力中所占比例，这种分析方法在两栖车航行阻力分析时应用较多.其存在的主要问题是，由于两栖车结构的复杂性，造成部件与附体之间产生的阻力存在较大的干扰和耦合效应，例如悬挂装置对车体底部流场影响很大，反之车体对悬挂装置又存在某种“遮蔽效应”.因此，两栖车航行阻力分析如果只采用“功能部件”分解的方法，有可能简化流场的相互干扰，从而影响各部件阻力成分的判断，进而影响两栖车的水动力构型与减阻设计.

1.2 流动机理研究方法

第二类阻力成分研究方法，即“流动机理”方法，如图1所示.其中的“摩擦阻力”，目前采用最多的分析手段是基于ITTC(国际拖曳水池会议)平板摩擦公式的计算方法和“边界层分析”方法，边界层分析方法主要用于其表面精细流场的研究.“兴波阻力”主要采用“波形分析”的方法.水流流经车体时，由于车体形状的急剧变化而形成流体的压力差，在重力作用下，形成兴波向外发展，并在车辆浸水表面产生水流波形动压力，即车辆的兴波阻力.“尾流场分析”方法将车辆尾部的流场作为“出口条件”，无限远处均匀来流流场作为“入口条件”，通过分析得到车辆的粘性阻力，即粘压阻力和形状阻力成分.分析“形状阻力”时，形状因子分析方法、叠模试验法应用较为广泛，尤其叠模试验法在船舶水动力学数值计算领域应用较多，是通过将船体水线以下部分进行重叠，消除自由面兴波带来的影响，用以分析形状阻力成分，而不涉及兴波阻力.

图1 基于模型的阻力成分数值计算(作用机理)研究一般方法

2 改进叠模阻力研究方法

由图1中归纳总结的阻力成分研究方法可知，“摩擦阻力”通过平板摩擦公式计算得到.为将形状阻力成分从剩余阻力中进一步分离出来，通常采用形状因子和叠模计算方法，但对于方形尾部特殊构型的两栖车，由于尾部存在“虚长度”，水流不直接作用于尾部，叠模法容易引起计算不收敛等“异常”问题.本研究提出了“改进叠模”阻力计算方法，借鉴国外某双体船在研究形状阻力过程中，通过在尾部增加“顺流段”，如图2所示，模拟了存在虚长度的两栖车尾部流场，通过“改进叠模”方法分析两栖车这种“水面钝体”的形状阻力成分[1].

图2 某型双体船模型试验示意图与尾部顺流段方案

通常，对两栖车航行阻力进行数值模拟计算时，是通过约束两栖车模型航态(车辆重心处升沉及纵倾角)，分别采用带自由面约束模和不带自由面叠模的方法进行数值计算,按照想定的车辆重心升沉与纵倾角设计方案，采用正交设计的方法进行组合，形成多个计算工况，由两者计算的结果，进行形状阻力成分、兴波阻力成分分析.其中，约束模是两栖车模型在相应航态下“动态水线”部分进行重叠得到[2]；“改进叠模”是对约束模型数值计算方法的修正，即通过在两栖车尾部增加“顺流段”，模拟尾部不触水、存在虚长度的状态.求解方法及计算流程如图3和图4所示.

图3 求解两栖车形状阻力的方法

图4 求解两栖车航行阻力的改进叠模计算流程

3 某履带两栖车阻力构成研究

3.1 阻力计算模型方案

为验证某两栖车航行阻力数值模拟计算的结果，以某两栖车拖曳模型试验状态确定两栖车航行阻力数值计算的模型方案，如图5所示.两栖车的自由面约束模阻力计算和叠模阻力计算即基于纵倾角范围2.46°～6.12°，车辆重心处升沉范围118～158 mm的方案分别进行.

图5 两栖车航行阻力计算模型方案

3.2 尾部顺流段对流场的影响

在开展两栖车约束模型航行阻力数值计算前，首先分析顺流段对两栖车方形尾部流场的影响，以确定顺流段结构形状与尺寸.选取3个截面，求取两栖车尾部流场速度分布，图6是两栖车在某速度下尾部流场速度矢量分布截面图.其中，X为对称面长度方向上计算点坐标，Y为车体宽度方向对称面坐标，Z为高度方向坐标.经流场速度矢量分析表明，两栖车尾部流场在不同速度下表现出类似特征.当顺流段长度超过两栖车水线长一定比例后，流体延顺流段长度方向，其速度矢量发生流动分离现象大幅减小，即对两栖车尾部流场的影响明显减弱.此外，顺流段宽度超过浸水深度之后，顺流段对流场的干扰也迅速减弱.因此，基于以上分析结果，可以得到两栖车尾部顺流段的基本结构尺寸，即长度不超过两栖车体水线长的20%，高度方向不超过两栖车尾部宽度尺寸.

图6 两栖车尾部顺流段流场速度矢量分布

3.3 阻力计算结果与分析

基于以上对两栖车航行阻力数值计算方法的分析，本研究计算方案采用与拖曳模型试验相同的1∶3缩尺比的模型，利用Fluent软件，完成其二维轴对称流场模拟分析，用不同颜色等级的迹线和压力云图显示速度矢量等参数随坐标位置的变化.在某航速下按照设定的航行纵倾角、升沉姿态，采用正交设计的方法组合出多个计算工况.数值计算中，两栖车航行的动升力、纵倾力矩，利用自由模两栖车航行计算平衡方程进行插值，以得到其平衡点；同步对阻力进行插值，得到该平衡点下的阻力.按照图7的计算流程[3]，两个航速下阻力计算结果如表1所示.自由面兴波波形和两栖车底部动压分布如图8、图9所示.

图7 两栖车航行阻力CFD求解步骤流程

图8 两栖车自由面兴波波形变化图

图9 两栖车底部动压力变化分布图

由表1中的计算结果可知，基于改进叠模的两栖车航行阻力计算方法的分析，带自由表面约束模阻力与摩擦阻力之差即为兴波阻力.在傅如德系数Fr▽较小阶段(Fr▽<0.30)，两栖车航行阻力以粘压阻力为主，占比为60%～70%，摩擦阻力在10%左右，兴波阻力通常不超过30%.当Fr▽超过0.50之后，兴波阻力迅速增大，在Fr▽约为0.60时达到最大，所占比例约为样车阻力三分之二.此后，随着车辆航速提高逐步降低.形状阻力通常是摩擦阻力2倍以上，且当Fr▽数超过0.60之后随着航速提高所占比例进一步增大；摩擦阻力所占比例最小，且随着航速提高有进一步下降趋势[4].

表1 两栖车不同航速下叠模与自由模方法阻力计算结果

4 结 论

两栖车航行阻力的计算结果与拖曳模型航行阻力试验结果基本吻合，计算得到的车辆航行总阻力与形状阻力相对误差在10%左右,说明“改进叠模”方法可用于两栖车航行阻力分析.基于两栖车阻力形成机理与构成的计算分析，在总体设计中，应力求优化两栖车水动力构型，特别是车尾形状，后部收缩应平缓，同时增大长宽比，以减小形状阻力；设计车首时与水流交界的入流角尽量小，达到减小车辆兴波阻力的效果.