重心纵向位置对滑行艇阻力影响的数值分析

尹晓青 武 璇 张元浩 仉永超 刘治国

(潍柴重机股份有限公司1) 潍坊 261108) (大连松辽船厂2) 大连 116000)

0 引 言

滑行艇因其航速快、体积小,以及技术要求较低等优点被广泛用于巡逻船、客船、游艇等船型中[1].而阻力性能影响着滑行艇的实用性与经济效益,是滑行艇最重要的性能之一.随着CFD技术的日渐成熟,为滑行艇的水动力性能研究提供了一条效的途径[2].

滑行艇航行时会产生明显的尾倾与上升,容易导致网格变形或计算域边界位移等问题,所以滑行艇静水绕流场的数值模拟需要考虑特殊的网格技术.重新建模法(rezone &remesh)是预报滑行艇阻力性能的有效的数值方法,该方法求解滑行艇流场的基本过程为:数值计算开始一段时间后根据求解的船体航态调整船体在计算域中的位置和角度,然后重新划分计算域并重新离散计算域中的网格,不断重复该过程直至计算收敛[3].Yao等[4]采用重新建模法对一排水型高速船进行阻力计算,数值结果证明该方法可以准确地预报阻力与航态,其中阻力的计算值与试验值误差在5%以内.董文才等[5]计算某滑行艇静水阻力时,采用查洁法结合重新建模法动态计算航态对艇体流场和阻力的影响,提高了计算效率的同时保证了计算结果的准确性.李屺楠等[6]使用重新建模法与重叠网格法对某滑行艇的静水绕流场进行数值计算,通过对比发现,重新建模法的准确性、数值稳定性以及效率都明显优于重叠网格法.

由于航态会影响到滑行艇体积长度系数、半进流角、艉部浸深等参数,而这些参数与滑行艇的阻力性能密切相关,所以在设计之初,设计者就会通过合理设计船体重心纵向位置以提高滑行艇阻力性能[7].文中通过船模试验预报了某滑行艇阻力随重心纵向位置的变化规律,并基于重新建模法的数值计算结果深入分析了产生这种规律的原因,为工程上总结滑行艇纵倾调整方案提供理论依据.

1 模型试验

该滑行艇为深V型滑行艇,采用双折角的设计,并安装有呆木,防溅条,轴系与尾舵等附体,试验模型的外形简图及模型的量纲一的量化的主尺度见图1和表1.

图1 试验模型外形简图

表1 试验模型的量纲一的量化的主尺度

模型试验共设置了三种重心纵向位置的方案,并对每个重心纵向位置下Fr▽=1.99～3.697之间 10个航速进行了拖曳试验,模型试验在中国特种飞行器研究所高速水池进行,对应的参数如下(规定重心纵向位置船中后为负,尾倾为正,下文的纵倾指尾倾).

表2 试验方案对应的参数

图2为该滑行艇阻力、纵倾与升沉的试验结果.其中阻力用量纲一的量参数升阻比表示:升阻比Rt/Δ,Rt为滑行艇所受的总阻力,kN;Δ为滑行模型的排水量,m3.

图2 试验结果

不同航速阶段,重心纵向位置对滑行艇的阻力性能有不同的影响:当滑行艇处于过渡阶段,重心纵向位置越靠近船尾,升阻比越大;而当进入在滑行阶段时,滑行艇重心纵向位置越近船尾,对应的升阻比越小.

2 滑行艇绕流场的数值计算

2.1 物理与数值模型

通过RANS法(reynolds average navier-stokes)进行船舶绕流场数值模拟,控制方程的表达见文献[8];湍流模型选择工程上应用最广泛的SSTk-ω湍流模型;采用壁面函数法处理近壁面的流动;采用VOF法(volume of fluid,VOF)捕捉自由面的流动并结合HRIC(high-resolution interface capturing)格式[9]来处理不混合组分的对流输运方程.

使用直接动态平衡法[10-11]求解船体航态,即假定航态稳定后船体处于静态平衡状态,则船体升沉与纵倾的变化量可用下列方程求解.

(1)

(2)

2.2 计算域与边界条件

假定滑行艇绕流场关于中纵剖面对称,取半个流场为计算域.为避免兴波在远场边界的反射,船后边界距离船体5倍船长,船侧边界距离船体2倍船长,并在船后与船侧边界设置数值消波阻尼.图3为计算域的范围与边界条件的设置.

图3 计算域与边界条件

2.3 离散网格

计算域内主要采用切割体网格,为准确捕捉船体周围的速度场与压力场,在船体近域采用六面体密度盒进行局部加密,在自由面附近采用开尔文波形形状的密度盒对波高方向的网格进行局部加密.船体表面附近采用棱柱层网格,同时控制最内层棱柱层壁面法向高度以满足壁面函数法对y+值的要求.为避免船底出现异常气体,需将船体表面网格的网格尺寸加密至船长的9. 0‰范围以内[12-14].计算域内的网格总数在178万左右.计算域内网格分布可见图4.

图4 计算域网格分布示意图

2.4 数值方法有效性验证

采用重新建模法对所有试验工况的绕流场进行了数值模拟,由于工况较多,所以仅列举LCG=-10.26%(δθ=0.4°)数值结果与试验结果,图5依次为总阻力、纵倾,以及升沉的数值与实验结果对比.

图5 数值结果与试验结果对比

由图5可知:数值结果与试验结果吻合良好,升阻比数值结果相对试验结果的误差基本上低于5%,航态数值结果相对试验结果的误差整体上在10%以内,说明基于重新建模法的高速艇绕流场的数值模拟是可行的,该数值方法的有效性通过验证.

3 重心纵向位置对阻力影响的数值分析

3.1 重心纵向位置对不同成分阻力的影响

用各成分阻力与排水量的比值表示各阻力成分的无量纲系数,图6为摩擦阻力与剩余阻力随体积弗劳德数Fr变化的曲线.

图6 数值结果

由图6可知:同一体积弗劳德数下,摩擦阻力随重心向船尾移动而减小,而剩余阻力则相反,而且在不同航速阶段,剩余阻力对重心纵向位置变化的敏感程度不同:过渡阶段,剩余阻力对重心纵向位置的变化更加敏感,同一航速下,剩余阻力的最大变化量达到0.2,而在滑行阶段,这个值仅为0.03左右.

由此可见,在过渡阶段,剩余阻力更易受到重心纵向位置的影响,且总阻力变化规律主要由剩余阻力决定,而滑行阶段,剩余阻力对重心纵向位置的变化不敏感,且随着剩余阻力占总阻力成分的降低,摩擦阻力随重心纵向位置的变化规律决定了总阻力随重心纵向位置的变化规律.

3.2 重心纵向位置对船体湿表面积的影响

图7为船体湿表面积随体积弗劳德数变化的曲线.

图7 湿表面积数值结果

由于滑行艇航行时滑行于自由面,只有部分船底与接触水面,当重心向船尾移动,纵倾增加船首抬起,浸湿面积减小,根据相当平板假定,当航速一定时,摩擦阻力只与浸湿面积有关,所以摩擦阻力随重心纵向位置的变化规律与湿表面积的变化规律基本一致.

3.3 重心纵向位置对船体兴波的影响

图8为Fr▽=2.370三种重心纵向位置对应的自由面兴波示意图.

图8 自由面兴波示意图

由图8可知:重心纵向位置对船尾流场有重要的影响:当重心向后移动,由于纵倾增大时,尾部浸深增加,艇体挤压水流导致船后破碎发散波系波高增高,增加了船舶近尾流场的能量损耗,因此重心越靠近船尾会增加滑行艇的剩余阻力.

3.4 重心纵向位置对船底压力的影响

图9为Fr▽=2.370时三种重心纵向位置船底压强的分布.

图9 船底压强分布示意图

由图9可知:在船底与来流之间的挤压作用下,来流驻点附近形成向舷侧延伸的压力区,且随着艉倾增大,压力区的范围与极值都随之增大,由于艇底与大气之间压力梯度是横向喷溅现象的主要决定因素,所以重心纵向位置向后移动,尾倾增大,滑行艇的剩余阻力亦随之增大.

4 结 论

1) 过渡阶段,重心越靠近船尾,滑行艇总阻力越大;滑行阶段,重心越靠近船尾,滑行艇总阻力越小.

2) 滑行艇的摩擦阻力随重心向后移动而递减,剩余阻力则随重心向后移动而递增,而且在过渡阶段剩余阻力对重心纵向位置的变化更为敏感,滑行阶段重心纵向位置变化对剩余阻力的影响不大.这种变化产生的原因有待进一步研究.

3) 重心向后移动会增加船尾流场与横向喷溅的能量损耗,剩余阻力随之增加.

4) 在计算航速范围内,重新建模法在滑行艇静水阻力预报方面可保证5%的计算误差,升沉和纵倾角计算结果与试验结果吻合良好.