橫向斜升角對滑行艇阻力影響的數值研究

孫 州 陸 嶼 秦江濤 賀 偉

(武漢理工大學船海與能源動力工程學院1) 武漢 430063) (中國船舶與海洋工程設計研究院2) 上海 200011)

0 引 言

滑行艇作為一種高性能船型在軍用與民用方面都有廣泛的應用,其處于滑行狀態時的阻力性能是滑行艇水動力研究的重點和難點[1].在主尺度一定的情況下,橫剖面斜升角是影響滑行艇阻力性能的重要參數,國內外學者也基于不同研究方法對橫向斜升角進行了大量研究.Keuning等[2]將美國系列62的橫向斜升角從12.5°增加到25°和30°并進行了模型試驗,探討了斜升角對于滑行艇阻力和耐波性的影響.邵世明等[3]通過模型試驗分析了深V型船的橫向斜升角對其靜水阻力的影響,并給出了不同斜升角情況下的阻力估算方法.岳國強等[4]基于系列模型阻力試驗研究了阻力隨橫向斜升角等船型因素的變化規律.姚朝幫等[5]借助系列模型試驗研究了艇底艉部斜升角對深V型艇縱向運動響應的影響規律.姚鐵等[6]通過系列模型試驗分析了深V型滑行艇底部橫向斜升角對快速性的影響.宋磊[7]針對斜升角等船型變量對阻力的影響進行了船型的選優.

由于目前尚無依靠理論獨立預報滑行艇阻力的方法[8],滑行艇阻力性能研究通常采用模型試驗與數值模擬的方法.模型試驗存在試驗周期長、成本高等缺陷,隨著CFD技術的快速發展,數值模擬逐漸成為滑行艇水動力研究的重要手段[9],其良好的時效性及流動解析能力大幅提升了滑行艇水動力研究的效率.孫華偉[10]基于CFD方法針對滑行面形狀影響滑行艇阻力與航態的規律進行了研究.常亮[11]采用STAR-CCM+軟件探討了尾部斜升角對滑行艇航態和阻力的影響.潘昊然等[12]采用結構化網格對不同艉部斜升角的滑行艇進行了靜水直航繞流場數值模擬.蔣一[13]基于CFD方法對不同斜升角斷級滑行艇進行了阻力數值計算,探討了斜升角對斷級滑行艇水動力性能的影響.

針對橫向斜升角對滑行艇阻力影響的研究,在高速滑行階段,較大的橫向斜升角會引起阻力增加.但關于橫向斜升角對總阻力變化的尚停留在定性規律階段,對阻力影響的機理尚缺乏普遍和深入的認識.

文中以滑行艇為對象,借助STAR-CCM+軟件基于RANS方程求解進行繞流場的數值模擬與阻力數值預報,探討了橫向斜升角對滑行艇靜水阻力的影響規律,并基于數值結果對其航態和壓力分布、濕表面積等流動細節進行了相關分析.

1 數值方法與驗證

采用求解RANS(reynolds-averaged navier-stokes)方程的方法對船舶繞流場進行數值模擬.

(1)

(2)

由于方程(2)中出現雷諾應力張量項,導致方程組不封閉.本文選取SSTk-ω湍流模型來模擬雷諾應力.數值模擬中對自由面的處理采用VOF方法,VOF方法是船舶領域中解決自由表面問題的主流方法,同時使用HRIC(high-resolution interface capturing)格式來處理不混合組分的對流輸運方程.

數值方法的驗證對象采用Taunton系列艇型中的C模型,主要參數見表1,圖1為滑行艇模型示意圖.

表1 Taunton-C滑行艇模型主尺度

圖1 Taunton-C滑行艇模型示意圖

由于滑行艇靜水直航時的繞流場關于船體中縱剖面基本對稱,因此可以取其一半流域進行計算,提高計算效率.繞流場數值模擬的計算域采用長方體,邊界條件設定與位置見表2.

表2 計算域與邊界條件

數值模型中計算域包括隨艇體一起運動的重疊網格區域和固定的背景區域.為更好的捕捉自由表面處與船體近域流場,在相關位置采用六面體密度盒進行局部加密,并控制離散網格由密向疏的均勻變化.驗證算例計算域網格數量約為240萬左右,艇底的壁面量綱一的量距離y+值在70左右,計算域網格分布見圖2.

圖2 Taunton-C流場計算域離散網格剖面圖

表3 數值方法驗證三重系列網格數量

不同網格密度的數值模擬結果與試驗結果對比見表4.其中:SG1、SG2和SG3為G1、G2和G3網格模型的阻力數值結果,D為試驗值.

表4 Taunton-C總阻力數值與試驗結果 單位:N

總阻力數值結果不確定度分析的參數見表5.由表5可知:收斂因子0

表5 數值結果的驗證與確認

2 斜升角影響的數值結果與分析

在滑行艇阻力數值預報方法有效性驗證實現的基礎上,保持船寬、排水量等主尺度參數不變,橫向斜升角依次為 5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°的滑行艇船型橫剖面見圖3.針對各斜升角船型進行了不同航速的繞流場數值模擬與阻力數值預報.

圖3 不同斜升角船型橫剖面圖

2.1 滑行艇總阻力數值結果

不同斜升角船型總阻力關于弗勞德數與斜升角度的數值結果見圖4.

圖4 總阻力數值計算結果

由圖4可知:

1) 在1

2) 當Fr▽>3時即處于滑行階段時,各角度模型單位排水量阻力隨速度增大而增大,橫向斜升角越大,阻力增長越快,且起滑前的阻力峰現象越不明顯,斜升角增大至45度時阻力曲線基本呈線性增長無明顯的曲率拐點;由圖4b)可知:滑行段單位排水量阻力隨斜升角增大而增大,且速度越高,阻力隨斜升角增大的增幅越大;另外各航速阻力值關于斜升角基本呈線性規律增長,且起滑前(Fr▽<3)該趨勢線近似水平,也表明低速時斜升角對阻力基本無影響.

2.2 滑行艇阻力成分

基于剪應力與壓應力將滑行艇的總阻力分解為摩擦阻力和壓差阻力,分別見圖5～6.

圖5 摩擦阻力數值計算結果

由圖5a)可知:不同斜升角滑行艇摩擦阻力隨航速及斜升角的變化規律在趨勢上與總阻力基本一致,即起滑前斜升角對摩擦阻力基本無影響,起滑后摩擦阻力關于斜升角基本呈線性關系,且斜升角越大線性斜率越大.

由圖6a)可知:β=40°和β=45°兩角度船型的壓差阻力隨航速升高不斷增大,其余角度模型壓差阻力均隨航速升高而增大,基本在Fr▽=3附近出現壓差阻力峰值,后隨航速增大而降低,在較高航速時又在此增大;且斜升角越小該“阻力峰”的特征越明顯.

圖6 壓差阻力數值計算結果

阻力成分變化范圍方面,起滑后同一斜升角下壓差阻力隨航速的變化或者相同航速下隨斜升角的變化與摩擦阻力相比均要小一個數量級,據此認為對于該型滑行艇航速與斜升角對其阻力的影響主要體現在摩擦阻力成分上.

2.3 滑行艇的航態

不同斜升角船型縱傾與升沉數值結果見圖7.

圖7 航態數值計算結果

由圖7a)可知:不同斜升角滑行艇的縱傾角關于航速的變化趨勢相似,均隨速度先增大并在Fr▽=3時達到峰值后再減小;滑行階段斜升角越大航態角越大.

由圖7b)～7c)可知:升沉關于斜升角與航速的規律曲線基本平行,各斜升角滑行艇升沉均隨著速度增加不斷增大,較大斜升角則導致船體較大的下沉.高速滑行階段,不同角度滑行艇升沉隨著速度的增大不斷增大,但增長趨勢較低速有所減緩.

2.4 流場特性

圖8為不同橫向斜升角滑行艇模型在Fr▽=4.81工況下艇底浸濕區域的數值結果.由圖8可知:橫向斜升角越大滑行艇艏部水流駐點線外張角度越小,且駐點線越向艇首方向移動,不同斜升角龍骨駐點的連線基本呈線性關系.

圖8 不同角度下艇底浸濕區域對比(Fr▽=4.81)

圖9為艇底龍骨浸濕長度曲線.由圖9可知:增大橫向斜升角使得艇底龍骨浸濕長度增加,航速越高龍骨浸濕長度越小.

圖9 龍骨浸濕長度曲線

圖10為艇底浸濕面積曲線圖.由圖10可知:高速滑行時不同角度滑行艇的浸濕面積隨著斜升角的增大而增大,隨航速的提高而減小,其中起滑后斜升角對濕表面積的影響更大.

圖10 艇底浸濕面積曲線

Fr▽=4.81工況下不同橫向斜升角滑行艇模型艇底壓力分布見圖11.艇底高壓區主要集中于艏部的駐點線處,小底升角模型在舷側出現高壓區,從而導致較嚴重的舷側噴濺.

圖11 不同角度下艇底壓力分布對比(Fr▽=4.81)

2.5 數值結果分析

基于前述不同斜升角船型阻力的數值結果,以實際的濕表面積為特征面積考察單位濕表面積摩擦阻力的結果見圖12.

圖12 摩擦阻力/浸濕面積數值結果

由圖12可知:盡管單位排水量摩擦阻力受斜升角影響較大,但如果以實際的濕表面積為特征面積考察單位面積摩擦阻力,該比值與斜升角基本無關.

滑行艇阻力預報的部分力學模型以平板射流受力為基礎,認為壓差阻力與航態角呈線性關系,也即Rr/tgθ為常數.為此本文基于數值結果,給出壓差阻力與航態角比值的數值結果見圖13.由圖13可知:即使在滑行階段,該比值均隨航速與斜升角有較大變化.因此基于本文數值結果認為此力學模型為基礎的經驗模型用于壓差阻力預報會產生較大誤差.

圖13 壓差阻力/航態角數值結果

3 結 論

1) 在滑行狀態下,摩擦阻力是斜升角與航速影響其阻力的主要阻力成分;且摩擦阻力關于斜升角規律基本呈線性關系;上述兩特點也導致總阻力關于斜升角基本呈線性關系.

2) 壓差阻力是滑行艇在Fr▽=3出現“阻力峰”特征的主要原因,且斜升角越小,起滑“阻力峰”的現象越明顯.

3) 結合濕表面積與航態角對阻力成分的影響分析表明,單位濕表面積摩擦阻力系數與斜升角基本無關;而壓差阻力與斜升角的關系與基于平板射流力學模型的壓差阻力經驗結論相差較大.