平底型高速交通運輸艇加裝尾插板減阻技術研究

王 陸，歐勇鵬，葉 青

（1.91404部隊91分隊，河北秦皇島066000；2.海軍工程大學艦船與海洋學院，武漢430033）

0 引 言

平底型高速交通運輸艇由于具有吃水淺、機動靈活和裝載性能好等特點，被越來越多的船舶使用者所青睞[1]。不過在阻力方面，平底船型尾部構型較寬，不但增加了船型阻力，還使得船體的重心后移，增大了縱傾角度，使阻力進一步增大。而對于交通運輸艇來說，良好的快速性意味著更高的工作效率以及經(jīng)濟效益。因此，找到一種能夠在保留該艇型原有優(yōu)勢的基礎上達到減阻提速效果的策略十分重要。

船體尾插板是一種結構簡單，可以在盡可能保留原有船型特點的基礎上，使船體達到減阻增速的方法。目前，國內外部分學者對船體加裝尾插板后的阻力特性及減阻機理進行了研究，潘柏衡等[2]對安裝尾插板的滑行艇進行了研究，取得了10%的減阻效果；周廣禮等[3]為排水型船設計了可動尾插板，研究了不同航速下通過調整尾插板下反角來達到較好的減阻減搖效果；Day[4]等通過分析尾插板流場變化、升沉和縱搖，研究了游艇加裝尾插板的減阻機理。

針對平底型高速交通運輸艇加裝不同尺寸的尾插板，本文采用CFD與模型試驗相結合的方法，得到加裝尾插板后運輸艇的阻力、姿態(tài)等各項參數(shù)。通過對阻力構成、姿態(tài)變化、流場變化等現(xiàn)象的分析，評估艇體加裝尾插板的減阻效果，并探究尾插板的減阻機理。

1 數(shù)值計算方法與結果

1.1 研究對象

本文以一條平底型高速交通艇模型為研究對象，模型的主尺度參數(shù)見表1，三維視圖見圖1。表1 中，Δ 為排水量，L 為艇體總長，LP為折角線長，BPX為折角線最大寬度，βM為中部艇底斜升角，βT為尾部艇底斜升角。靜止正浮狀態(tài)下，船模的初始縱傾角為0°，重心距離船中為-11.05%L（舯后），船舯距離尾封板尾1.282 m。

表1 模型的主尺度參數(shù)Tab.1 Main particulars of hull model

圖1 計算船模的三維圖Fig.1 3-D hull model for calculation

1.2 數(shù)值計算方法

本文自由液面的計算采用HRIC-VOF 模型[5-7],湍流模型則采用Realizable k - ε 模型[8-9]。圖2 給出了數(shù)值模擬的計算域、網(wǎng)格分布和劃分及邊界條件設置。數(shù)值水池為長方體，長8.0L、寬2.5L、高5.0L，上表面距離艇體上甲板為2.0L，設置為速度入口；下表面距離艇底部為2.8L，設置為速度入口；側面距離中縱剖面為2.5L，設置為速度入口；中縱剖面均設置為對稱面；入口距離艇體首部向前2.0L，設置為速度入口；出口距離艇尾向后5.0L，設置為壓力出口，壓力沿深度方向按靜水壓力線性變化；數(shù)值水池沿水線面將分為上下兩部分，上部分為空氣，下部分為水。水的密度取997.56 kg/m3，動力粘性系數(shù)為8.887 1×10-4Pa·s；空氣密度為1.184 15 kg/m3，動力粘性系數(shù)為1.855 08×10-5Pa·s。

圖2 流域網(wǎng)格及邊界條件Fig.2 Calculation region and boundary condition

網(wǎng)格劃分采用切割型網(wǎng)格，在艇體、自由面、尾插板附近均進行了網(wǎng)格加密，如圖3所示。

圖3 艇體表面及附近的網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshes of calculation region

圖3（a）顯示了艇體表面及自由液面的網(wǎng)格布局情況，圖3（b）顯示了艇體加裝尾插板后的尾插板加密區(qū)。光體計算網(wǎng)格總數(shù)為290 萬，加裝尾插板模型計算網(wǎng)格總數(shù)為300 萬。采用二階迎風格式，時間為一階格式，步長取為0.002 s。

1.3 數(shù)值計算結果驗證

為驗證數(shù)值計算結果的準確性，對模型艇數(shù)值計算結果與試驗結果進行對比。模型艇光體狀態(tài)下阻力、縱傾角、重心升沉的試驗結果與數(shù)值計算結果對比見表2。其中Rt表示總阻力，單位N；FV表示容積傅汝德數(shù)。

表2 數(shù)值計算與模型試驗值的偏差分析Tab.2 Difference between numerical values and experimental values

通過表2可以知道，總阻力計算結果與試驗值偏差最大為5.6%，大部分偏差小于3%；縱傾角偏差小于0.38°，大部分偏差小于0.2°；重心升沉偏差最大為4.25 mm，大部分航速下偏差小于1 mm。可見，在航速FV=0.74～2.78內，本文采用的數(shù)值計算方法能夠得到模型艇精度較高的總阻力、縱傾角和重心升沉，可用于該模型艇后續(xù)開展的各項數(shù)值計算。

2 平底型高速交通運輸艇加裝尾插板阻力特性分析

2.1 尾插板對阻力的影響

圖4為加裝尾插板后艇體模型示意圖。尾插板沿著尾部封板向下延伸，在數(shù)值計算階段，本文選取了延伸長度距離船底5 mm的尺寸。

圖4 艇體加裝尾插板示意圖Fig.4 Installation sketch map of stern insert plate

圖5 給出了通過數(shù)值計算得到的光體與安裝尾插板狀態(tài)下總阻力的對比，其中w 為排水量，單位N；Rt/w表示模型艇總阻力的單位排水量力。表3為部分航速下總阻力計算結果的具體對比。

圖5 光體與加裝尾插板總阻力數(shù)值計算結果對比Fig.5 Comparison of numerical results of Rt between bare hull and model with stern insert plate

表3 光體與加裝尾插板數(shù)值計算結果對比Tab.3 Comparison of numerical results of Rt between bare hull and model with stern insert plate

從圖5 與表3 可以看出，艇體加裝5 mm 尾插板后在航速Fv=1.11～2.17 的范圍內都產(chǎn)生了比較明顯的減阻效果，減阻率大部分大于20%，最大可達到32.99%。但是在低速時，加裝尾插板出現(xiàn)了小量的增阻情況。

2.2 阻力特性分析

為進一步了解不同狀態(tài)下艇體的阻力構成，圖6和圖7分別給出了不同狀態(tài)下艇體摩擦阻力Rf與壓阻力Rp的對比。從圖6 可以看出，在航速Fv=0.99～2.17 的范圍內，艇體加裝尾插板后對摩擦阻力的影響并不大，總阻力的變化受摩擦阻力的影響不大。從圖7 可以看出，在相同速度范圍內，加裝尾插板后運輸艇的壓阻力呈明顯的下降趨勢，且壓阻力變化趨勢與圖5中總阻力變化趨勢大致相同。

圖6 光體與加裝尾插板艇體摩擦阻力對比Fig.6 Comparison of numerical results of Rf between bare hull and model with stern insert plate

圖7 光體與加裝尾插板艇體壓阻力對比Fig.7 Comparison of numerical results of Rp between bare hull and model with stern insert plate

由此可知，加裝尾插板后艇體總阻力的變化主要受到壓阻力變化的影響，而壓阻力主要是由興波阻力Rw與粘壓阻力Rpv構成。因此，在進行減阻機理分析時，應著重分析造成運輸艇興波阻力與粘壓阻力產(chǎn)生變化的原因。

3 平底型高速交通運輸艇加裝尾插板減阻機理分析

3.1 艇體興波分析

興波阻力產(chǎn)生的原因是艇體在航行時興起了重力波，降低波幅可以有效減少興波阻力。圖8 為航速Fv=2.17時艇體舷側興波波形波高h的對比，Xh為所測波形點與艇首部的縱向距離，單位為m。在進行對比時，選取與船舯距離Yz/Bpx為0.87和1.74處的波形，具體位置如圖9所示。

圖8 Fv=2.17 時艇體舷側興波波形對比Fig.8 Comparison of hull side waveforms(Fv=2.17)

圖9 艇體舷側興波波形對比位置示意圖Fig.9 Diagram of contrastive position of hull side waveform

從圖9可以看到，艇體加裝尾插板后，舷側興波波幅有明顯下降，從而減小了艇體的興波阻力。

圖10為部分航速下兩種狀態(tài)艇體尾部興波高度隨船長方向的對比，其中haft-w表示尾部興波高度，單位為m；X表示到船尾的縱向距離，單位為m。

圖10 部分航速下光體與加裝尾插板艇體尾部興波高度對比Fig.10 Comparison of aft wave-making heights between bare hull and model with stern insert plate

從圖10可以看出，加裝尾插板后艇體尾部興波的波幅有明顯下降，特別在X/L>1.0的范圍內幾乎沒有興波，這進一步減小了艇體的興波阻力。

3.2 艇底壓力分析

粘壓阻力產(chǎn)生的原因是船首部與尾部之間存在壓力差，因此可以通過減小壓力差來減小粘壓阻力。圖11為Fv=2.17時兩種狀態(tài)下艇體底部壓力分布圖，單位為Pa。

圖11 Fv=2.17時光體與加裝尾插板艇底壓力分布Fig.11 Bottom pressure distribution of bare hull and model with stern insert plate(Fv=2.17)

從圖11可以看出，加裝尾插板后，艇體尾部的壓力由166 Pa上升至3 000～4 000 Pa，而首部壓力由7 000～8 000 Pa下降至1 000～3 000 Pa，這一方面使得艇體首尾壓差有所降低，另一方面使得相對于船舯的抬首力矩減小。

3.3 艇體姿態(tài)分析

平底型高速交通運輸艇由于平底船型在高速航行時容易產(chǎn)生較大的縱傾角度，導致阻力進一步增大。圖12為兩種狀態(tài)下艇體縱傾角度對比。

從圖12可以看出，在Fv=0.99～2.17的范圍內，當艇體為光體狀態(tài)時，抬首現(xiàn)象嚴重，縱傾角較大；在加裝尾插板后，抬首現(xiàn)象得到明顯改善。因此，尾插板也可以通過調整模型艇的航行姿態(tài)來達到減阻的效果。

圖12 光體與加裝尾插板艇體縱傾對比Fig.12 Comparison of trims between bare hull and model with stern insert plate

4 模型試驗

為進一步探究不同尾插板長度對減阻效果的影響，在中國特種飛行器研究所高速拖曳水池中進行了模型試驗，該水池長510 m，寬6.5 m，水深5 m。拖車最高速度為22 m/s。在本實驗中，阻力的測量采用BLR-1 型拉力傳感器，量程為0～40 kg，精度為0.2%。縱傾角的測量采用傾角儀，精度為0.1°。升沉采用拉線式方法測量，誤差小于1%。在進行尾插板阻力試驗時，尾插板伸出長度為5 mm、10 mm和15 mm，厚度為3 mm。

4.1 數(shù)值計算方法的進一步驗證

通過模型試驗，得到了模型艇光體狀態(tài)與加裝尾插板狀態(tài)下的各項數(shù)據(jù)。圖13為艇體加裝5 mm尾插板總阻力和縱傾角數(shù)值計算結果與試驗結果對比。

圖13 加裝5 mm尾插板數(shù)值計算結果與試驗結果對比Fig.13 Comparison between numerical results and experimental results of model with 5 mm stern insert plate

從圖中可以看出，加裝5 mm 尾插板后艇體的總阻力和縱傾角數(shù)值計算結果與試驗結果吻合較好，從而進一步說明了本文的數(shù)值計算與網(wǎng)格劃分方法能夠較準確地計算平底型高速交通運輸艇加裝尾插板后的阻力與姿態(tài)。

4.2 試驗結果分析

圖14 為不同狀態(tài)下艇體總阻力與縱傾角試驗結果的對比，圖15 為不同狀態(tài)下艇體姿態(tài)的對比，表4為部分航速下總阻力試驗結果的具體對比。

圖14 光體與加裝尾插板試驗結果對比Fig.14 Comparison of experimental results between bare hull and model with stern insert plate

圖15 Fv=2.17時光體與加裝尾插板艇體姿態(tài)對比Fig.15 Comparison of attitudes between bare hull and model with stern insert plate(Fv=2.17)

表4 光體與加裝尾插板試驗結果對比Tab.4 Comparison of experimental results between bare hull and model with stern insert plate

從圖14（a）與表4可以看出，三種長度的尾插板在航速Fv=1.11～2.46的范圍內均保持減阻效果，最高可達42.59%，同時三種尾插板均出現(xiàn)了在某個速度下能達到最大減阻效果的情況，這個最佳減阻速度可能與船型、尾插板構型等有關，可做進一步研究分析。在航速Fv=0.49～0.98的范圍內，由于模型艇速度較低，安裝尾插板后帶來的阻力增值無法被減小的壓阻力抵消，出現(xiàn)了增阻情況。從圖14（b）和圖15 可以看出，艇體加裝尾插板后，抬首現(xiàn)象得到明顯改善，且尾插板的伸出長度越長，改善效果越好。但是從圖14（b）還可以看出加裝15 mm 尾插板的艇體在速度Fv>2.16 時出現(xiàn)了埋首現(xiàn)象，這不利于運輸艇的實際應用。

圖16 為模型艇航速Fv=2.17 時，艇體不同狀態(tài)下的尾部興波。從圖16 可以看出艇體加裝尾插板后，尾部興波波幅明顯降低，且噴濺現(xiàn)象大大改善。通過對比還可以看出，該艇型加裝尾插板的伸出長度越長，降低尾部興波波幅的效果越好。

圖16 Fv=2.17時不同狀態(tài)下艇體尾部興波對比Fig.16 Comparison of hull aft waveforms under different conditions(Fv=2.17)

5 結 論

根據(jù)本文研究內容與結果，得到如下主要結論：

（1）平底型高速交通運輸艇加裝尾插板后在航速較高時能夠產(chǎn)生較好的減阻效果，而當航速過低時則會產(chǎn)生一定的增阻效果。

（2）該類艇加裝尾插板后能夠有效降低艇體的興波阻力和粘壓阻力，但是對摩擦阻力的影響不大。

（3）該類艇加裝尾插板后能夠有效地改善艇體抬首現(xiàn)象，但是當航速較高時會出現(xiàn)埋首現(xiàn)象，使減阻效果降低，不利于運輸艇的實際使用。

由于該類艇航行時涉及的速度范圍較大，建議針對該艇型應設計尺寸可調節(jié)的尾插板；在針對平底型交通運輸艇進行尾插板設計時，應充分考慮減阻效果、姿態(tài)影響等因素，選用尺寸適中的尾插板；建議應針對該類艇加裝尾插板后在高航速下如何改善埋首的問題展開研究。