横向斜升角对滑行艇阻力影响的数值研究

孙 州 陆 屿 秦江涛 贺 伟

(武汉理工大学船海与能源动力工程学院1) 武汉 430063) (中国船舶与海洋工程设计研究院2) 上海 200011)

0 引 言

滑行艇作为一种高性能船型在军用与民用方面都有广泛的应用,其处于滑行状态时的阻力性能是滑行艇水动力研究的重点和难点[1].在主尺度一定的情况下,横剖面斜升角是影响滑行艇阻力性能的重要参数,国内外学者也基于不同研究方法对横向斜升角进行了大量研究.Keuning等[2]将美国系列62的横向斜升角从12.5°增加到25°和30°并进行了模型试验,探讨了斜升角对于滑行艇阻力和耐波性的影响.邵世明等[3]通过模型试验分析了深V型船的横向斜升角对其静水阻力的影响,并给出了不同斜升角情况下的阻力估算方法.岳国强等[4]基于系列模型阻力试验研究了阻力随横向斜升角等船型因素的变化规律.姚朝帮等[5]借助系列模型试验研究了艇底艉部斜升角对深V型艇纵向运动响应的影响规律.姚铁等[6]通过系列模型试验分析了深V型滑行艇底部横向斜升角对快速性的影响.宋磊[7]针对斜升角等船型变量对阻力的影响进行了船型的选优.

由于目前尚无依靠理论独立预报滑行艇阻力的方法[8],滑行艇阻力性能研究通常采用模型试验与数值模拟的方法.模型试验存在试验周期长、成本高等缺陷,随着CFD技术的快速发展,数值模拟逐渐成为滑行艇水动力研究的重要手段[9],其良好的时效性及流动解析能力大幅提升了滑行艇水动力研究的效率.孙华伟[10]基于CFD方法针对滑行面形状影响滑行艇阻力与航态的规律进行了研究.常亮[11]采用STAR-CCM+软件探讨了尾部斜升角对滑行艇航态和阻力的影响.潘昊然等[12]采用结构化网格对不同艉部斜升角的滑行艇进行了静水直航绕流场数值模拟.蒋一[13]基于CFD方法对不同斜升角断级滑行艇进行了阻力数值计算,探讨了斜升角对断级滑行艇水动力性能的影响.

针对横向斜升角对滑行艇阻力影响的研究,在高速滑行阶段,较大的横向斜升角会引起阻力增加.但关于横向斜升角对总阻力变化的尚停留在定性规律阶段,对阻力影响的机理尚缺乏普遍和深入的认识.

文中以滑行艇为对象,借助STAR-CCM+软件基于RANS方程求解进行绕流场的数值模拟与阻力数值预报,探讨了横向斜升角对滑行艇静水阻力的影响规律,并基于数值结果对其航态和压力分布、湿表面积等流动细节进行了相关分析.

1 数值方法与验证

采用求解RANS(reynolds-averaged navier-stokes)方程的方法对船舶绕流场进行数值模拟.

(1)

(2)

由于方程(2)中出现雷诺应力张量项,导致方程组不封闭.本文选取SSTk-ω湍流模型来模拟雷诺应力.数值模拟中对自由面的处理采用VOF方法,VOF方法是船舶领域中解决自由表面问题的主流方法,同时使用HRIC(high-resolution interface capturing)格式来处理不混合组分的对流输运方程.

数值方法的验证对象采用Taunton系列艇型中的C模型,主要参数见表1,图1为滑行艇模型示意图.

表1 Taunton-C滑行艇模型主尺度

图1 Taunton-C滑行艇模型示意图

由于滑行艇静水直航时的绕流场关于船体中纵剖面基本对称,因此可以取其一半流域进行计算,提高计算效率.绕流场数值模拟的计算域采用长方体,边界条件设定与位置见表2.

表2 计算域与边界条件

数值模型中计算域包括随艇体一起运动的重叠网格区域和固定的背景区域.为更好的捕捉自由表面处与船体近域流场,在相关位置采用六面体密度盒进行局部加密,并控制离散网格由密向疏的均匀变化.验证算例计算域网格数量约为240万左右,艇底的壁面量纲一的量距离y+值在70左右,计算域网格分布见图2.

图2 Taunton-C流场计算域离散网格剖面图

表3 数值方法验证三重系列网格数量

不同网格密度的数值模拟结果与试验结果对比见表4.其中:SG1、SG2和SG3为G1、G2和G3网格模型的阻力数值结果,D为试验值.

表4 Taunton-C总阻力数值与试验结果 单位:N

总阻力数值结果不确定度分析的参数见表5.由表5可知:收敛因子0

表5 数值结果的验证与确认

2 斜升角影响的数值结果与分析

在滑行艇阻力数值预报方法有效性验证实现的基础上,保持船宽、排水量等主尺度参数不变,横向斜升角依次为 5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°的滑行艇船型横剖面见图3.针对各斜升角船型进行了不同航速的绕流场数值模拟与阻力数值预报.

图3 不同斜升角船型横剖面图

2.1 滑行艇总阻力数值结果

不同斜升角船型总阻力关于弗劳德数与斜升角度的数值结果见图4.

图4 总阻力数值计算结果

由图4可知:

1) 在1

2) 当Fr▽>3时即处于滑行阶段时,各角度模型单位排水量阻力随速度增大而增大,横向斜升角越大,阻力增长越快,且起滑前的阻力峰现象越不明显,斜升角增大至45度时阻力曲线基本呈线性增长无明显的曲率拐点;由图4b)可知:滑行段单位排水量阻力随斜升角增大而增大,且速度越高,阻力随斜升角增大的增幅越大;另外各航速阻力值关于斜升角基本呈线性规律增长,且起滑前(Fr▽<3)该趋势线近似水平,也表明低速时斜升角对阻力基本无影响.

2.2 滑行艇阻力成分

基于剪应力与压应力将滑行艇的总阻力分解为摩擦阻力和压差阻力,分别见图5～6.

图5 摩擦阻力数值计算结果

由图5a)可知:不同斜升角滑行艇摩擦阻力随航速及斜升角的变化规律在趋势上与总阻力基本一致,即起滑前斜升角对摩擦阻力基本无影响,起滑后摩擦阻力关于斜升角基本呈线性关系,且斜升角越大线性斜率越大.

由图6a)可知:β=40°和β=45°两角度船型的压差阻力随航速升高不断增大,其余角度模型压差阻力均随航速升高而增大,基本在Fr▽=3附近出现压差阻力峰值,后随航速增大而降低,在较高航速时又在此增大;且斜升角越小该“阻力峰”的特征越明显.

图6 压差阻力数值计算结果

阻力成分变化范围方面,起滑后同一斜升角下压差阻力随航速的变化或者相同航速下随斜升角的变化与摩擦阻力相比均要小一个数量级,据此认为对于该型滑行艇航速与斜升角对其阻力的影响主要体现在摩擦阻力成分上.

2.3 滑行艇的航态

不同斜升角船型纵倾与升沉数值结果见图7.

图7 航态数值计算结果

由图7a)可知:不同斜升角滑行艇的纵倾角关于航速的变化趋势相似,均随速度先增大并在Fr▽=3时达到峰值后再减小;滑行阶段斜升角越大航态角越大.

由图7b)～7c)可知:升沉关于斜升角与航速的规律曲线基本平行,各斜升角滑行艇升沉均随着速度增加不断增大,较大斜升角则导致船体较大的下沉.高速滑行阶段,不同角度滑行艇升沉随着速度的增大不断增大,但增长趋势较低速有所减缓.

2.4 流场特性

图8为不同横向斜升角滑行艇模型在Fr▽=4.81工况下艇底浸湿区域的数值结果.由图8可知:横向斜升角越大滑行艇艏部水流驻点线外张角度越小,且驻点线越向艇首方向移动,不同斜升角龙骨驻点的连线基本呈线性关系.

图8 不同角度下艇底浸湿区域对比(Fr▽=4.81)

图9为艇底龙骨浸湿长度曲线.由图9可知:增大横向斜升角使得艇底龙骨浸湿长度增加,航速越高龙骨浸湿长度越小.

图9 龙骨浸湿长度曲线

图10为艇底浸湿面积曲线图.由图10可知:高速滑行时不同角度滑行艇的浸湿面积随着斜升角的增大而增大,随航速的提高而减小,其中起滑后斜升角对湿表面积的影响更大.

图10 艇底浸湿面积曲线

Fr▽=4.81工况下不同横向斜升角滑行艇模型艇底压力分布见图11.艇底高压区主要集中于艏部的驻点线处,小底升角模型在舷侧出现高压区,从而导致较严重的舷侧喷溅.

图11 不同角度下艇底压力分布对比(Fr▽=4.81)

2.5 数值结果分析

基于前述不同斜升角船型阻力的数值结果,以实际的湿表面积为特征面积考察单位湿表面积摩擦阻力的结果见图12.

图12 摩擦阻力/浸湿面积数值结果

由图12可知:尽管单位排水量摩擦阻力受斜升角影响较大,但如果以实际的湿表面积为特征面积考察单位面积摩擦阻力,该比值与斜升角基本无关.

滑行艇阻力预报的部分力学模型以平板射流受力为基础,认为压差阻力与航态角呈线性关系,也即Rr/tgθ为常数.为此本文基于数值结果,给出压差阻力与航态角比值的数值结果见图13.由图13可知:即使在滑行阶段,该比值均随航速与斜升角有较大变化.因此基于本文数值结果认为此力学模型为基础的经验模型用于压差阻力预报会产生较大误差.

图13 压差阻力/航态角数值结果

3 结 论

1) 在滑行状态下,摩擦阻力是斜升角与航速影响其阻力的主要阻力成分;且摩擦阻力关于斜升角规律基本呈线性关系;上述两特点也导致总阻力关于斜升角基本呈线性关系.

2) 压差阻力是滑行艇在Fr▽=3出现“阻力峰”特征的主要原因,且斜升角越小,起滑“阻力峰”的现象越明显.

3) 结合湿表面积与航态角对阻力成分的影响分析表明,单位湿表面积摩擦阻力系数与斜升角基本无关;而压差阻力与斜升角的关系与基于平板射流力学模型的压差阻力经验结论相差较大.