履帶式兩棲車輛繞流場的數值計算

（解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇 南京 210007）

履帶式兩棲車輛航行時的水動力特性與輪式兩棲車輛有一定差異，開展履帶式兩棲車輛的繞流場及水動力特性研究，將對提高履帶式兩棲車輛的水上性能有很大意義[1]。根據數值分析結果，可以實現對車體的外形進行優化設計，為今后研制具有更好水上性能，能夠適應更加復雜海況的新型兩棲車輛，提供一定的理論依據。

近年來，隨著計算機性能的提升和數值模擬方法的不斷改進，使得計算流體力學(CFD)的應用范圍不斷拓展。借鑒船舶的流場數值模擬方法，利用CFD軟件，對兩棲車輛的繞流場進行數值分析，是更為經濟、快捷、高效的方法[2]。

1 數學模型

1.1 湍流模型的控制方程

連續方程[3]：

△·u=0

動量方程：

1.2 邊界條件設置

計算區域的邊界條件包括：壁面、速度進口、出口邊界、對稱面、交界面。具體設置情況如下：

（1）壁面：將裝備車體表面和遠場壁面設置為無滑移邊界條件。

（2）速度進口：按照車輛航速確定，湍動能和湍流耗散率參照經驗公式給出。

（3）出口邊界：裝備航行過后，其后部的流動可認為是完全發展的，適用出口邊界條件。

（4）對稱面：將車體的中心面定義為對稱面邊界條件。

（5）交界面：由于近車體流場與外部流場所劃分的網格類型不同，要實現結構化網格與非結構化網格間的相互關聯，就要將兩種網格的重合面定義為為交界面邊界條件。

2 數值計算

2.1 計算模型

兩棲車輛車體表面線型復雜，主要研究其水中航行時的流場特性，因此計算模型需要有所簡化，模型的基本尺寸來源于實裝，如圖1所示。

圖1簡化的車體幾何模型示意圖

車體總長7.67 m，寬3.1 m。車體模型的長寬比L/B＝2.48，影響其快速性和航向穩定性；車寬吃水比B/T=1.94，影響其抗橫搖穩性；車高吃水比H/T=1.3，一定程度影響其抗沉性和裝載能力。

2.2 網格劃分

網格劃分的策略，需要根據工程問題的具體情況來制定。不同的網格劃分策略，對生成的網格質量影響很大。而網格質量的好壞，直接關系到數值計算的精確性、收斂性和時效性。因此，應根據兩棲車輛的繞流場具體情況，進行網格劃分。如圖2所示。

圖2 計算區域劃分

在近車體流場區域采用非結構化網格，并在車體近壁范圍內使用邊界層過渡網格，外圍流場區域采用結構化網格，并對車體和自由液面附近的網格進行加密處理。如圖3所示。

圖3 車體表面網格

2.3 離散格式

本文控制方程的擴散項采用中心差分格式離散，對流項采用如下格式離散：梯度設置為最小二乘法，對于壓力方程采用體積力加權格式，動量方程、湍動能方程均采用二階迎風格式。對于瞬態問題，壓力隱式算子分割算法（PISO）有明顯的優勢，故壓力速度耦合方式采用PISO算法。取時間步長為0.01 s，需要求解的時間步數設定為2 000步，每個時間步長內的最大迭代次數設為20。為了保證湍流計算的收斂性和穩定性，欠松弛因子分別取為0.6、0.4、0.8、0.4、0.6、0.6、0.8.

3 數值模擬與分析

3.1 數值方法驗證

應用FLUENT軟件，對兩棲車輛的車體繞流場進行數值模擬，得到兩種湍流模型下的阻力計算值，如表1所示。根據計算數據繪制出阻力隨速度變化曲線，并對比試驗數據擬合曲線，如圖4所示。數值模擬結果總體上與試驗結果相吻合，略小于試驗值。可以看出兩種模型所計算出的阻力曲線的變化趨勢，與試驗值的變化趨勢相一致。兩種湍流模型都能比較好地計算車體的航行阻力，相比之下，RNG模型的計算結果與試驗值更接近，誤差更小。所以RNG湍流模型，更適合兩棲車輛的阻力計算。誤差主要是由于在數值模擬中，模型的精度不高而產生的。

表1兩種模型計算結果與試驗結果比較

圖4總阻力的模擬值與試驗值

3.2 計算結果分析

通過數值模擬計算，得到了兩棲車輛水中航行時的流場特性參數。可以根據需要對其進行相關水動力特性分析。圖5為車體在航速v=3m/s的情況下履帶前部和后部的速度矢量圖。由于車體形狀在此處的急劇變化，導致此處的流體運動發生了分離，并且產生了尺度較大的渦，降低了通過該處的水流速度，使得該區域壓力降低，如圖6動壓分布所示。在車體周圍形成壓力差，產生較大的壓差阻力。

圖5 履帶輪附近的速度矢量圖

圖6 動壓分布云圖

圖7反映了車輛在4m/s航速下的興波云圖。從云圖中可以看出，車體首部有一較大的波峰，在車體履帶前端兩側形成波谷；車體后部由于履帶的影響，向兩側擴散形成較小波峰，車體正后方處于波谷。其總體自由液面的波形刻畫與車體表面動壓分布相符，也接近車體航行的實際情況。從上可證明興波阻力的大小與車體形狀密切相關，對車體外形局部進行合理優化，可以提高其水上動力性能，達到減阻增速的目的。

圖7 航速4m/s的興波云圖

4 結束語

利用CFD計算流體力學的方法，對兩棲車輛的繞流場進行數值模擬，獲得其水上航行時主要的流場特性參數。模擬計算中考慮了自由液面的影響，通過VOF方法對興波自由液面進行了追蹤。采用兩種湍流模型分別對裝備車體繞流場進行了數值模擬，數值模擬計算出的阻力值與試驗值基本吻合，比較總阻力的計算值與試驗值，確定了RNG模型是更為適合兩棲車輛繞流場數值模擬的湍流模型。同時，分析了車體外形對阻力的影響，找到影響其航行阻力的關鍵因素，為今后更高性能的兩棲車輛的研制提供了參考。

[1]洪 津，高 博，王 璞，等.兩棲工程作業車的發展研究[J].化學工程與裝備，2010，(8)：159-160.

[2]高富東，姜樂華，潘存云．基于計算流體動力學的兩棲車輛水動力特性數值計算[J]．機械工程學報，2009，(5)：134-139．

[3]楊楚泉．水陸兩棲車輛原理與設計[M].北京：國防工業出版社，2003.

[4]居乃鵕．兩棲車輛水動力學分析與仿真[M]．北京：兵器工業出版社，2005.

[5]趙建民，朱 軍，焦志勇，等.兩棲車輛水陸運動模型[J].四川兵工學報，2011，(5)：11-15.

[6]韓占忠，王國玉，閆為革.兩棲車輛航行粘性阻力數值分析[J].車輛與動力技術，2003，(2)：6-10.