高速內傾穿浪無人三體船靜水阻力性能優化

李志君,高霄鵬,霍 聰

(海軍工程大學 艦船工程系， 武漢 430033)

21世紀以來，各國海軍實力不斷綜合增長，反潛能力已經成為衡量各國海軍實力的一個重要指標。近年來，將水面無人船用于執行反潛任務得到了越來越多的關注。反潛無人船是指能夠適應遠海航行需求，由岸基出發獨立部署并完成反潛任務(包括巡邏、偵查和持續跟蹤等)的水面無人船。反潛無人船的出現將直接對敵下一代攻擊型核潛艇構成威懾，而成本僅為目標潛艇的百分之一，可形成強有力的新型非對稱作戰力量，發展反潛無人船具有重大意義。由于當前探潛拖曳聲吶通常只能在5節左右的低航速下工作，要求反潛無人船快速到達指定海區展開探測。因此，需要設計具有優良快速性能的反潛無人船型以滿足反潛任務的需求。

三體船型具有阻力性能優良、適航性、穩性和總體布置性好等諸多優點，是極具潛力的長航時船型。國內外學者對三體船的阻力性能已經進行了大量的試驗與數值模擬研究工作，主要集中在側體的布置及阻力性能的優化。Brizzolara等[1]對圓舭型三體船和主體為折角線型的三體船進行了船模試驗和數值計算，對三體船的剩余阻力進行了研究;酈云等[2]對主體和側體均為Wigly船型的高速三體船進行了模型試驗;顧敏童等[3]提出了一種新型三體船船型，其主體是小水線面型，并進行了阻力試驗研究;李培勇等[4]對超細長三體船阻力進行了計算研究；以上研究表明：主體和側體船型會對阻力性能產生顯著影響。賈敬蓓和宗智等[5-6]通過變換側體的縱向位置進行了大量試驗，提出了前三體船的概念，分析了其優勢；陳飛宇等[7-8]通過數值計算和船模試驗探究了側體布局對三體船阻力的影響規律；Javanmardi等[9-10]通過自行編制的CFD程序計算并分析了不同側體位置對三體船阻力性能的影響；以上研究充分說明了側體的相對位置對阻力性能影響顯著。然而，目前的三體船研究目標主要集中在千噸級，缺少針對百噸級無人船型的相關研究。相對于大型三體船，小型無人船無甲板，去除了人員保障系統，從排水量、空間及動力學特性都與傳統的有人船存在顯著差異，需要制定適合于無人船特點的結構設計方案。

本文提出了一型高速內傾穿浪無人三體船，該船型主船體以ONR Tunblehome船型為母型，側體采用NPL Trimaran(穿浪艏斧型)船型，主體與側體之間通過懸臂連接。首先，變換主船體和側體的主尺度，找到保持排水量不變的前提下，阻力性能最優的主尺度方案。其次，通過變換主側體相對位置，確定側體的布置方案，最終確定初步設計方案。

1 計算模型

本文以ONR Tunblehome船型作為三體船主船體母型，該船型屬于內傾穿浪細長船型。以NPL Trimaran船型作為側體的母型，采用斧型艏設計，同時結合穿浪艏部的設計理念，參照對比主船體母型尺寸，自主設計建模。表1、表2分別列出了主船體、側體的母船的主要船型參數，它們的幾何模型分別如圖1、圖2所示。

表1 ONR Tunblehome母船主要船型參數

表2 側體母船主要船型參數

在保證排主體和側體排水量不變的前提下，在Maxsurf軟件中對主體和側體母船進行長寬比的變換。分別得到長寬比為12、13、14的主體模型(簡稱主A、B、C)和長寬比為12、16、18、20的側體模型(簡稱側A、B、C、D)。

2 數值計算方法

2.1 求解方法

在湍流的非直接數值模擬中，應用最廣泛的是RANS方法，本文以它作為求解船體黏性興波流場的基本方程。其具體形式如下：

(1)

式(1)中:ρ為流體密度；μ為流體黏度；p為靜壓；fi為單位質量的質量力；ui、uj為速度分量。

然后，使用k-ε湍流模型來求解RANS方程，該方法可較好地模擬存在流動分離和逆壓梯度的復雜流動問題。湍流脈動動能方程(k方程)為式(2)，湍流能量耗散率方程(ε方程)為式(3)：

(2)

(3)

自由液面處采用VOF法進行追蹤。VOF方法是一種可以處理任意自由面的方法，其基本原理是利用計算網格單元中流體體積量的變化和網格單元本身體積的比值函數F確定自由面的位置和形狀。

2.2 網格劃分及邊界條件

采用立方體控制域，計算域長度取6倍船長，模型位于控制域前1/3處，以方便觀測尾流場，高度為3倍船長，寬度為2倍船長。x軸取指向船艏為正，y軸取指向右舷為正，z軸取向上為正。運用布爾運算(Boolean)使船體與拖曳水池分離，在船體表面設定無滑移壁面。采用重疊網格技術模擬船體運動，在數值拖曳水池中，使水流以定流速流向船體，船體自身隨著內域重疊網格運動，流域采用非結構網格。設定入流界面為速度入口，出流界面為壓力出口，各壁面均設定為無滑移邊界條件。在對控制域進行網格劃分時，為保證計算的可行性并節約計算時間，在對遠離船模的周圍控制域的六面體網格進行劃分時，采用稍微稀疏的網格；同時為保證計算結果的準確性，對水線面、艏部以及興波較明顯的區域進行加密處理，保證計算網格質量。以長寬比為14主體船模為例，給出邊界條件、網格類型如圖3、圖4所示。

3 阻力優化方案

3.1 主船體主尺度方案優選

將3種不同長寬比的主體方案在STAR-CCM+10.04中進行靜水阻力計算。根據目前已知服役潛艇的最大航速一般為20～25節，選擇模擬航速為3.6 m/s，即對應實船25節。

得到主體船各方案的總阻力、壓阻力和摩擦阻力，各方案具體參數如表3所示。

方案長寬比摩擦阻力/N壓阻力/N總阻力/N主A1212.799.9422.73主B1313.488.8421.92主C1413.628.0021.62

不同長寬比的主船體受到的總阻力隨時間的變化曲線如圖5所示。由阻力時歷曲線可知，各主船體總阻力在5 s之后基本穩定，振蕩變化幅度小于1%。在這3個長寬比的模型中，主體船的摩擦阻力隨著主船體長寬比增加而增加，壓阻力隨長寬比增加而減小，總阻力隨長寬比增加而減小。因此，選擇長寬比為14的主體作為三體船模型的主體。

3.2 側體主尺度方案優選

同理，得到4種不同長寬比的側體方案仿真后得到的各參數如表4所示。側體受到的總阻力隨時間的變化曲線如圖6所示。由阻力時歷曲線可知，各側體方案總阻力在5 s之后基本達到穩定，振蕩變化幅度小于1%。由圖表看出，在這4個不同長寬比的側體方案中，隨著側體船長寬比增加，船體所受的摩擦阻力變化趨勢為增減增，這主要是因為隨著側體長寬比增大，船體的濕表面積并不是單調變化，導致摩擦阻力呈現增減增趨勢，而壓阻力為單調減小，最終船體所受的總阻力先減小后增大，長寬比為18時，受到的總阻力最小。因此選擇長寬比為18的側體作為三體船模型的側體。

方案長寬比摩擦阻力/N壓阻力/N總阻力/N側A121.941.233.17側B162.290.763.05側C182.050.622.67側D202.170.512.68

3.3 主側體相對位置布置方案優選

根據以上計算可知，阻力性能最優的主體和最優側體的長寬比分別為14和18，兩種最優方案的wave圖如圖7、圖8所示。圖7中A、B、C分別代表了主體的首波峰、波谷和尾波峰；圖8中a、b、c分別代表了側體的首波峰、波谷和尾波峰。根據主體、側體波峰波谷相消的原則對側體進行布置。

使用STAR-CCM+改變主、側體相對位置，制成以下7種方案：方案1：主體的首波波谷B交側體首波峰a處，此時側體完全處于主體波系內，主體與側體間縱向距離為0.5 m；方案2：側體尾端處于位于主體首波峰A之外，即側體不受主體波系干擾，主側體縱向距離不變；方案3：主體位于側體波系干擾區外，即主體尾端位于側體首波峰a之外，主側體縱向距離不變；方案4：側體波谷b交主體尾波峰C起點處，主側體縱向距離不變；方案5：用主體波谷B抵消側體尾波峰c，主側體縱向距離不變;方案6：為了增加三體船的穩定性，適當增加側體與主體間的縱向距離，因此設計了一種方案，使主體與側體重心對齊，縱向位置增加0.8 m；方案7：為了與前面的方案進行對比，對阻力最差的情況進行計算，即主體首波峰A與側體首波峰a相疊加的情況，縱向距離與前五種方案相同為0.5 m。

7種方案所受各種力的大小如表5所示，總阻力隨時間的變化曲線如圖9所示。

表5 三體船各方案受力情況

由阻力時歷曲線可知，總阻力在4 s之后基本達到穩定。經過分析可知：

1) 主船體和側體相對位置布置方式改變對總阻力性能影響很大。方案7阻力最大為30.18 N，方案2阻力最小為26.38 N，方案2相較于方案7總阻力減少14.5%。

2) 改變主船體和側體相對位置主要影響壓阻力的變化，而對摩擦阻力大小變化影響較小，壓阻力的改變是導致總阻力性能差異的主要原因。

3) 通過主側體間有利興波或者避免波系干擾均能有效減少壓阻力成分。方案1利用艏波相消與方案2采用避免波系干擾的方式相較于方案7總阻力分別減少了14.3%、14.5%。

4) 主側體合并布置時的阻力值大于主船體和側體單獨阻力之和。這主要是由于主側體合成后，船體的運動姿態為整體的運動姿態，特別是側體的縱傾和升沉有大幅改變，這是導致阻力較主側體單獨存在時顯著增大的主要原因。

以方案1、方案7為例、給出兩種方案的wave圖，如圖10、圖11所示。由wave圖中可以看出方案1中主體的首波谷與側體首波峰相消，而方案7中主體首波峰與側體首波峰相互疊加。

綜上所述，消波情況較好的是方案1，方案2，方案5。其中方案1屬于波高峰值區位置對應較好，所以消波效果明顯。而方案2和方案5在消波原理上，主要是利用側體波來抵消主體首波波峰，所以這兩種方案雖然相對位置不同，但是都達到了較好的消波效果。

4 結論

本文基于Star-CCM+數值拖曳水池仿真技術，對幾種變化長寬比的主船體和側體船型方案開展計算。結果表明：采用ONR Tunblehome船型為母型的主船體長寬比為14、以NPL Trimaran為母型的側體長寬比為18時阻力性能最優。基于優選的主船體和和側體的船行波系的波峰和波谷的分布情況，擬定了7種主船體和側體布置方案作對比。綜合分析發現：通過主體、側體波峰波谷相消的原則可以大幅減少興波阻力，當側體位于主船體興波干擾區內時，在側體和主船體的艏波相消時，總阻力最小；當側體位于主船體興波干擾區外時，總阻力也較小，但此時側體位于船體前部，不利于航行機動性。該三體船的機動性及耐波性有待進一步研究。

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