槽道參數對倒V型槽道滑行艇阻力性能的影響

鄒 勁 馬晶晶 姬朋輝 康 釗

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱 150001）

引 言

隨著科技發展日新月異，高性能船舶不斷推陳出新。哈爾濱工程大學孫華偉［1］就滑行面形狀對滑行艇阻力與航態的影響規律進行了研究；常亮［2］預報不同航速的滑行艇阻力，對不同的船型參數給出設計建議；大連海事大學范偉同［3］基于CFD理論，對粘性流場中滑行艇的水動力性能進行初步計算研究；哈爾濱工程大學蘇玉民等人［4］為準確評估三體槽道滑行艇水動力性能，研究該船型阻力特性和船型特征；王慶旭等人［5］通過模型實驗和CFD模擬等方法證明中高速階段三體滑行艇相對于雙體滑行艇的阻力和耐波性等優勢。總之，雙體滑行艇航行穩定性較好，但高速時相比單體滑行艇阻力較大，艇體噴濺嚴重；而三體滑行艇有優異的快速性、良好的穩定性、杰出的耐波和操縱性，但中低速阻力較大、結構復雜。本文結合雙體和三體滑行艇優點提出全新艇型——倒V型槽道滑行艇，該艇具有航行阻力小、可見興波小、波浪砰極小、縱向穩定性好等優點。針對槽道半徑、槽道高度和槽道平直段寬度3個參數，進行增量研究利用CFD軟件Star-ccm+分析該艇型水動力特性，研究出適合倒V型槽道艇的最佳設計方案。

1 倒V型槽道滑行艇介紹

如圖1倒V型槽道滑行艇外形結構，其兩個片體的滑行面為內傾式，槽道橫剖面形狀為橢圓形。

圖1 倒V型槽道滑行艇

該艇型模型參數見表1。

如圖2所示，將槽道的形狀劃分為：槽道半徑、槽道高度和槽道平直段寬度3個參數，并對每個參數進行增量研究，以獲得適合倒V型槽道艇的最佳設計方案。本文將原槽道參數下的模型表示為M0。為有效分析槽道參數對倒V型槽道艇阻力性能的影響，同時兼顧計算資源的限制，本文在半滑行狀態取Fr▽=1.80（V=4 m/s）為代表，滑行狀態取Fr▽=3.14（V=7 m/s）、Fr▽=4.49（V=10 m/s）為代表，超高速滑行狀態取Fr▽=5.83（V=13 m/s）為代表。

表1 模型參數

圖2 槽道參數的劃分

2 數值計算方法

2.1 控制方程

對于不可壓縮的粘性流動其連續性方程為：

動量方程為：

式中：ui和uj為速度分量時均值（i、j=1，2，3）；p為壓力時均值；ρ為流體密度；μ為動力粘性系數；si為動量方程廣義源項；ρuiuj為雷諾應力項；上劃線“—”表示對物理量取時間平均。

2.2 湍流模型及VOF法

本文的CFD模擬方案選擇SSTk-ω湍流模型，這種湍流模型把工程中標準k-ε湍流模型和標準k-ω湍流模型的優點集于一身，能在精確反映實際流動狀態的同時又兼具良好的計算穩定性和收斂性。

VOF法是船舶領域中求解自由表面問題常用的主流方法。處理自由表面問題實際上就是追蹤空氣和水兩種介質的運動界面，在船舶領域以VOF法最為常用［6-7］，該方法可以解決兩相交界面的穩態和瞬態等問題。

3 計算模型設置

倒V型槽道滑行艇作為一種新型滑行艇，其研究資料匱乏，綜合考慮選擇艇型外形和水動力作用原理相似的三體滑行艇作為本論文CFD驗證的模型，以最大程度保證CFD計算方案的有效性。試驗所用的三體滑行艇模型如圖3所示。船模總長2.5 m、寬0.87 m、型深0.31 m，重心位置在0.75 m、0 m、0.22 m處，排水量130 kg。

圖3 船模三維模型

3.1 計算域

由于滑行艇的對稱性，為提高計算效率節省計算資源，本文采用單側模型計算。其流體域為一長方體，考慮到艇體周圍和自由面附近網格尺寸對計算精度的影響，在這兩處設置加密區以精確捕捉自由液面和艇體周圍的流場細節。流場域設置見圖4，計算域范圍由船首向前延伸1倍船長；流場向后延伸3倍船長，垂直方向上由滑行艇基線向下延伸2倍船長，向上延伸1倍船長，計算域左側距離滑行艇左舷1.5倍船長，滑行艇中縱剖面所在的計算域一側為對稱面，入口處邊界條件為速度入口，出口處邊界條件為壓力出口，周向邊界為速度入口。

圖4 流場域及邊界條件的設置

3.2 網格劃分

本文的網格劃分采用的是切割體網格。兩個加密區的網格尺寸設置見圖5。船體周圍加密區采用各向同性加密原則，網格大小設置為6‰L；自由液面附近加密區采用各向異性加密原則，設置網格尺寸在x、y方向為20‰L，在z方向上為10‰L。

圖5 網格劃分

4 數值模擬計算及結果分析

4.1 槽道內水氣作用機理

為更直觀分析槽道內水流、氣流的分布情況，本文提取了距艇體尾板0.1 m處的橫剖面（見圖6）。低速時，整個槽道的絕大部分被水（紅色）浸沒，僅有槽道頂部覆蓋一層薄薄的空氣層（藍色）。在進入滑行狀態后，槽道內的興波直接打到槽道頂部，槽道內空氣所占的比重不斷增加。在進入超高速滑行階段后，在槽道和興波之間形成明顯的空氣層。

圖6 槽道內水汽分布圖

4.2 槽道半徑參數對艇體阻力性能的影響

本節對不同槽道半徑進行三維建模并進行水動力計算，對比分析不同的槽道半徑對倒V型槽道滑行艇阻力性能的影響以及槽道水動力性能的改變。在改變槽道半徑參數的同時保持其他幾何參數不變，分別將槽道半徑減小和增大M0的10 mm（12.5%），即槽道半徑分別為70 mm和90 mm，如圖7相應的模型為MR1和MR2。

圖7 槽道半徑改變后的橫剖面對比圖

4.2.1 槽道半徑參數對艇體阻力和姿態的影響

阻升比曲線見圖8。可見，改變槽道的半徑對艇體的阻力影響非常明顯，模型在各速度段的阻力值層次分明，各阻升比曲線之間不存在交點。就3個模型相比而言，MR2的阻力性能最為優良，其在超高速滑行階段的減阻效果也最明顯，相比M0阻力值減小4%；MR1的阻力性能最差，且隨著航速提高其阻力的增幅逐漸變大，在Fr▽=4.49時其增幅已達到9%。另一個不可忽視的方面是該模型在超高速的計算中呈現典型的海豚運動，這就說明槽道半徑的減小使倒V型滑行艇在高速滑行階段的運動穩定性變差了。

圖8 阻升比曲線

各模型除在低速過渡航行時吃水值稍有差別，在進入到滑行階段后吃水值幾乎完全相同，這說明槽道半徑的改變對倒V型槽道艇吃水的影響并不明顯（見下頁表2）。對于傾角，槽道半徑對其的影響與對阻力的影響趨勢相同，在全速度段內，傾角值M0＞MR2，在模型MR1的可穩定計算速度范圍內，艇體傾角均大于M0。

4.2.2 槽道半徑參數對槽道水動力性能的影響

由于只改變對槽道的半徑參數，艇體主尺度并沒有發生變化，因此艇體2個倒V型片體在槽道內引起的興波總能量不變。增大槽道半徑使槽道橫向空間相應增大，減輕了槽道內水流的擠壓程度，降低了興波和噴濺高度。由圖6和圖9可見，3個模型的槽道內氣液分布在進入滑行階段以后出現明顯差異：MR2槽道內興波的高度和寬度是3個模型中最小的，其槽道也是最先被氣流貫通即槽道頂最先和興波波面脫離，減小了相同航速下槽道內的濕表面積；MR1槽道內的興波在3個模型中最為明顯，其興波波面與槽道頂接觸形成較為明顯的平直段，興波波面直到艇體進入超高速滑行階段才與槽道頂脫離。

表2 各模型阻力、傾角和吃水

圖9 模型MR1、MR2槽道氣液分布圖

通過計算和分析，倒V型槽道艇的槽道半徑應適當大一些，即：槽道形狀較為圓滑，使槽道各部分之間有較平緩的過渡。在槽道頂層空氣提供一定的垂向升力。這樣，不僅槽道擁有較好的水動力性能。由于浸濕面積減少，全艇的阻力性能也較好，并且還可以提高艇體超高速航行時的縱向穩定性。

4.3 槽道高度參數對艇體阻力性能的影響

本節將對槽道的另一個重要參數槽道高度繼續進行論述分析。同樣只改變槽道高度參數，分別減小和增大M0的15 mm（10%），即槽道高度分別為135 mm和165 mm，相應的模型為MH1和MH2（參見圖10）。

圖10 槽道高度變化后的橫剖面圖

4.3.1 槽道高度參數對阻力和姿態的影響

圖11為阻升比曲線。

圖11 阻升比曲線

由圖11可知，槽道高度對倒V型槽道艇阻力的影響主要體現在滑行階段以后。在低速階段，三者的阻力非常接近，且阻升比曲線在此階段還有交叉。從阻力值大小的角度來講，在低速時，槽道高度對倒V型滑行艇的影響較小且不明確。在倒V型滑行艇進入高速滑行以后，槽道高度對阻力性能的影響開始愈加明顯。當Fr▽=4.49時，MH1相比于M0的減阻效果為2.2%；而當航速提升到Fr▽=5.83時，其減阻效果增加到4.6%。同樣，對于MH2，當Fr▽=4.49時，相比于M0阻力增加了2.1%；但當Fr▽=5.83時，其阻力增加約6%。

由表3可知，3個模型的吃水值相差不大，除MH1的吃水稍小外，M0和MH2的吃水在高速航行時完全相同。這說明槽道高度的改變對艇體吃水的影響可忽略不計。槽道高度參數對縱傾的影響和對阻力的影響類似，均是在高速階段開始出現明顯影響。低速時，3個模型的傾角差值非常小；進入高速滑行后，MH1的傾角在3個模型中最小，相比于M0，其傾角約減小5.7%，而M0和MH2兩者的縱傾相差無幾。

表3 各模型阻力、傾角和吃水

4.3.2 槽道高度參數對槽道水動力性能的影響

同樣，由于僅對槽道的高度作了些改變，而艇體主尺度并沒有發生變化，因此兩片體在槽道內引起的興波的總能量未變，槽道高度的變化必然會引起槽道壁面對興波能量的吸收效率，下面將對此影響作些解釋。

槽道高度的改變主要是指槽道平直段在垂向位置的改變，即槽道空間在垂向的改變。圖12為不同速度下的槽道水汽分布云圖。

圖12 不同速度下的槽道內水汽分布云圖

由圖12可知：3個模型在中低速段，槽道內的絕大部分被水浸沒，興波波面均直達槽道頂，此時槽道內的水汽分布并未見明顯差異；隨著航速的進一步提高，3個模型中的MH1的槽道最先被氣流貫通，興波波面最先與槽道頂脫離，槽道與水接觸的濕表面積成為3個模型中最小的；因此阻力值也最小，而MH2由于槽道自身表面積較大，興波在槽道壁上會形成較大的濕表面，因此阻力性較差。

通過本節的計算和分析可獲知：降低槽道高度使槽道的工作段變長，槽道的垂向升力增加，改善了倒V型槽道艇的阻力性能；與此相反，增大槽道高度則使艇體的阻力性能變差。

4.4 槽道寬度參數對艇體阻力性能的影響

槽道寬度是指槽道頂部平直段的寬度。只改變槽道寬度參數，分別減小和增大M0的5 mm（16.7%），即槽道寬度分別為25 mm和35 mm，相應的模型為MB1和MB2。槽道寬度變化后的橫剖面圖見圖13。

圖13 槽道寬度變化后是橫剖面圖

4.4.1 槽道寬度參數對艇體阻力和姿態的影響

圖14為阻升比曲線。由該圖可知，槽道寬度對艇體阻力的影響也是在滑行階段和超高速滑行階段。當Fr▽≤3.14時，3個模型的阻力值相差很小，故在此速度段槽道寬度的大小對艇體阻力的影響均可忽略不計。在滑行階段，阻力值的大小順序為：RMB2＞RMB1＞RM0，說明在此階段增大或減小槽道寬度，對艇體的阻力性能顯然都是不利的。

圖14 阻升比曲線

在進入超高速滑行階段后，MB1的阻力值成為3個模型中最大值，MB2的阻力值反而成為阻力性能最好的模型。需要指出的是，MB1在超高速計算中出現輕微的高頻振蕩現象，說明減小槽道平直段的寬度會降低艇體的縱向穩定性。

各模型的阻力、傾角和吃水見表4。

表4 各模型阻力、傾角和吃水

由表4可知，3個模型的吃水隨著速度的增加差值逐漸增大。在Fr▽=4.49處，最大差值為5.5%；而在Fr▽=5.83處，最大差值為7.4%。對于艇體縱傾的影響： 低速時，3個模型的傾角并無明顯差別；進入滑行階段以后，MB1隨著航速而增大，其傾角成為3個模型中最小的，而M0和MB2的傾角幾乎完全相同。

4.4.2 槽道寬度參數對槽道水動力性能的影響

槽道寬度的改變是指槽道頂部平直段寬度的改變，其在橫向改變槽道的內部空間。對比圖6和下頁圖15：在中低速時，雖然3個槽道內的水汽分布形態有所不同（例如：MB1槽道內興波波面不僅完全覆蓋槽道頂部，而且沿著槽道壁面流向片體一側，而MB2興波波面則僅覆蓋槽道頂部），但三者槽道內的濕表面積相差無，因此阻力值非常相近；隨著航速的提高，三者槽道內的水汽分布形態趨于相同，槽道興波波面開始與槽道頂脫離，波面與槽道壁面的接觸面積開始緩減，但由于MB2的槽道濕表面積最大，因此其阻力最大；當滑行艇進入到超高速滑行階段時，M0和MB2槽道已經被氣流貫通，在水面和槽道之間形成穩定的氣層，而MB1由于槽道空間狹小，槽道興波還有部分直達槽道頂部增加濕表面積（即增加了阻力）。

圖15 不同速度下的槽道內水汽分布云圖

通過本節的計算和分析可知：槽道寬度變窄，其所受水汽動升力減小，不僅使艇體的阻力性能變差而且也降低在超高速階段艇體的縱向穩定性，即為不利變化；而槽道變寬，其所受水汽動升力變大，可降低超高速段阻力值。這意味著設計航速在超高速段的倒V型槽道滑行艇，應適當增加槽道的寬度，既可提高阻力性能，還可增加甲板面積，便于設備布置。

5 結 論

本文首先對倒V型槽道滑行艇的槽道水動力作用進行解釋說明，將槽道形狀劃分為槽道半徑、槽道高度以及槽道寬度3個參數進行控制，并分別進行增量研究。結果表明：適當增加槽道半徑，降低槽道高度，均可改善倒V型的阻力性能；而增加槽道寬度，在中低速段會增加艇體阻力，但在高速段卻會減小艇體阻力。

［參考文獻］

［1］ 孫華偉. 滑行面形狀對滑行艇阻力與航態影響數值分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［2］ 常亮. 滑行艇阻力性能計算與艇型設計參數優化研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［3］ 范偉同. 基于CFD的高速滑行艇水動力性能研究［D］.大連：大連海事大學，2015.

［4］ 蘇玉民，王碩，沈海龍. 三體槽道滑行艇阻力模型試驗研究［J］. 哈爾濱工程大學學報，2013（7）：832-836.

［5］ 王慶旭. 三體滑行艇阻力和穩定性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［6］ 約翰 D 安德森［美］．計算流體力學基礎及其應用［M］.吳頌平，劉趙淼，譯．北京：機械工業出版社，2007.

［7］ HIRT C W，NICHOLS B D.Volume of fluid （VOF）method for the dynamics of free boundaries ［J］. Journal of Computional Physics . 1981（1）：201-225.