基于多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的滑行艇巡航時流場研究

吳利紅，劉開周，伍忠凱，徐廣洲

(1. 大連海事大學(xué)，船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2. 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，機器人學(xué)國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016)

0 引 言

滑行艇是高速船舶的一種，主要通過抬升船體，減少排水量，依靠滑行板提供的動升力減小高速航行中的興波阻力達(dá)到高速減阻的目的?；型М?dāng)前主要應(yīng)用在游艇和無人艇上?；型鄬ΤＲ?guī)排水型船體而言，其水動力比較復(fù)雜，航行時會引起水面興波，尾部“虛長度”的尾流和縱向及橫向的水流飛濺。精確捕捉這種流動現(xiàn)象，以及由此引起的水動力變化和航態(tài)變化，是進(jìn)行滑行艇水動力性能預(yù)報，設(shè)計布置推進(jìn)系統(tǒng)的前提。當(dāng)前關(guān)于滑行艇的研究主要是滑行艇的模型試驗[1]，探討艇型改善；滑行艇阻力大小的理論估算和CFD 預(yù)報[2-4]，而對滑行艇的流場研究較少，以及考慮流場特性和阻力需求的疊加推進(jìn)系統(tǒng)的研究較少，本文采用多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[5,6]，對某滑行艇進(jìn)行阻力預(yù)報，并詳細(xì)分析了其流場特征，最后為其巡航速度配置對應(yīng)的對轉(zhuǎn)槳，給出了滑行艇自航推進(jìn)時的流場特性。

1 數(shù)值建模

圖1 ELCO 滑行艇和橫剖線圖Fig. 1 Planning craft and its profile

研究對象選擇ELCO 滑行艇，它是美國戴維.泰洛船模試驗池（DTMB）試驗?zāi)Ｐ屯У脑屯ВS模型和橫剖線圖如圖1 所示[7]。此艇主尺度為L23.29 m×B4.03 m×D0.896 m，靜止排水量 Δ=45.360 t。此艇為無斷級滑行艇，縱向不設(shè)斷級，包含單根折角線，橫剖面為V 型，艇底有一定的斜升角，由首到尾逐步降低，在尾板處其斜升角只有1°～4°，尾部采用方型尾。

對水面船舶進(jìn)行數(shù)值模擬可以采用混合網(wǎng)格（結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[6]）或多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[5]?；旌暇W(wǎng)格具有網(wǎng)格建模快，但是網(wǎng)格數(shù)量大，計算精度差的特點。多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格需要根據(jù)流場特征進(jìn)行網(wǎng)格分區(qū)，網(wǎng)格劃分需要大量人工調(diào)試，但是其正交性好，網(wǎng)格數(shù)量少，計算精度高，尤其能捕捉尾部流場細(xì)節(jié)。本論文采用多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行滑行艇流域的網(wǎng)格劃分。整個流域分為12 塊，網(wǎng)格在水線面附近進(jìn)行加密。游艇模型及外流域都采用分區(qū)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為了捕捉滑行艇表面的邊界層流動特性，在滑行艇壁面區(qū)域設(shè)置邊界層網(wǎng)格，第1 層網(wǎng)格布置在邊界層內(nèi)，滿足 y+=30 ～500，并以1.2 的冪指數(shù)比例增加，總共設(shè)置10 層邊界層。同時為了捕捉滑行艇尾部的尾流場，在尾部進(jìn)行了局部加密。整個計算域的網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

2 數(shù)值結(jié)果分析

滑行艇阻力數(shù)值模擬，首先需要確定不同航速的航態(tài)。可以采用查結(jié)法和SIT 方法估算滑行艇不同航速的縱傾角，當(dāng) Fn?＞1.5時，查結(jié)法具有較高的縱傾角計算精度[2]。查結(jié)法是通過游艇的艇重、艇速、艇寬、重心到尾板的水平距離、中部及尾部橫向斜升角等已知參數(shù)計算船寬傅汝德數(shù)、動荷載系數(shù)，然后計算縱傾角及浸濕比，進(jìn)而對縱傾角計及斜升角的影響進(jìn)行修正，最后獲得不同航速滑行艇的縱傾角，圖3給出不同航速對應(yīng)的滑行艇縱傾角。

對此滑行艇從低速排水型狀態(tài)到高速滑行狀態(tài)進(jìn)行了航行阻力計算，以R_CFD 表示，將計算結(jié)果與模型試驗換算得到的試驗值R_test，以及采用查結(jié)法理論計算得到的阻力值R_cha 進(jìn)行對比，如圖4 所示。由圖4 可以看出，滑行艇從排水狀態(tài)到全滑行狀態(tài)（1 ＜Fn?＜3）之間的過渡階段，阻力曲線呈駝峰形狀，見R_test 曲線。采用數(shù)值計算的滑行艇阻力與試驗計算值較接近，尤其是在滑行階段， Fn?≈2.7，誤差在3.5%以內(nèi)，在排水型航態(tài)到過渡階段，阻力計算值相對試驗值偏小，主要是吃水偏小的緣故；高于滑行狀態(tài)，阻力計算值相對試驗值也偏小，主要原因可能是高速航行時，滑行艇的龍骨浸濕長度WLK 變大，而折角線浸濕長度WLC 變小，表明滑行艇存在較大的噴濺現(xiàn)象。而當(dāng)前的數(shù)值模擬由于網(wǎng)格精度和計算模型的問題，還不能將噴濺現(xiàn)象捕捉，因此計算結(jié)果會出現(xiàn)較大的誤差[8]。而查結(jié)法與試驗值對比，在排水型和滑行狀態(tài)與試驗值較接近，過渡階段則誤差較大。

圖3 不同航速對應(yīng)的縱傾角Fig. 3 Trims Vs. velocity

圖4 阻力預(yù)報Fig. 4 Resistance prediction

圖5 給出了水面興波，明顯可見由艇尾產(chǎn)生的卡爾文興波現(xiàn)象。圖6 和圖7 分別為滑行艇方尾的空穴和虛長度圖，可以看出方尾相當(dāng)于延長了船底外板長度，使得流線沿著慣性方向流動，而不是常規(guī)的突然收尾的粘性渦流。圖8 和圖9 給出滑行艇航行時舷側(cè)流體在折角線處引起飛濺的三維圖和二維圖。圖10 為艇底動壓圖，其中可見明顯的艇中部形成高壓區(qū)，由此引起動升力，提供船舶部分重力支撐。

圖5 卡爾文興波Fig. 5 Kalvin wave

圖6 方尾“虛長度”兩相流Fig. 6 Volume of fluid at square tail

圖7 方尾“虛長度”速度矢量圖Fig. 7 Velocity vector

圖8 滑行艇飛濺三維圖Fig. 8 Splash picture in 3D

圖9 噴濺舷側(cè)現(xiàn)象二維圖Fig. 9 Splash picture in 2D

圖10 艇底動壓圖Fig. 10 Dynamic pressure of bottom

3 推進(jìn)系統(tǒng)布置

滑行艇艇尾采用方尾，數(shù)值模擬和理論都表明，高速航行時，尾流會存在慣性，不會因為方尾的截斷而在尾部出現(xiàn)漩渦回流，而是隨著流速方向繼續(xù)往后傳播，在方尾后方形成一片空流場，類似船體尾部延長的效應(yīng)，即“虛長度”。這種尾有助于減少阻力，因而滑行艇的尾部推進(jìn)布置形式不同于常規(guī)船型。常規(guī)船體其推進(jìn)系統(tǒng)直接布置在船尾，利用船尾的伴流，提高推進(jìn)效率。而高速滑行艇，則不應(yīng)將螺旋槳直接放置在船尾，避免破壞“虛長度”尾流。相應(yīng)的放置推進(jìn)器位置有2 種，一種是懸掛機形式，如圖11所示，此時螺旋槳應(yīng)該置于船底以下一定深度，避免干擾虛長度。另一種是前置傾斜形式。圖12 給出了懸掛式滑行艇配置對轉(zhuǎn)槳的自航流場特性，可見，當(dāng)槳懸掛在滑行艇尾下方一定深度，并不影響滑行艇尾部的方尾流場特性。

圖11 外掛機式螺旋槳Fig. 11 Planing craft with outboard CRP

圖12 滑行艇外掛對轉(zhuǎn)槳自航流場Fig. 12 Flow field of planning craft in self-propulsion with a CRP

4 結(jié) 語

本文進(jìn)行ELCO 滑行艇的水動力性能研究。將數(shù)值計算結(jié)果與理論查結(jié)法和試驗方法進(jìn)行了對比。明確了數(shù)值方法能較準(zhǔn)確預(yù)報滑行艇的航態(tài)和滑行阻力，尤其是接近滑行時的阻力預(yù)報，其誤差只有3.5%。表明CFD 能準(zhǔn)確估算出滑行艇的航速。但是根據(jù)計算的經(jīng)驗，其中重心深沉位置的準(zhǔn)確性（吃水會隨著航速改變）直接影響到數(shù)值計算的精度。其次給出了滑行艇在滑行時的流動特征，數(shù)值模擬再現(xiàn)了滑行艇方尾“空穴”，“虛長度”以及高速噴濺現(xiàn)象。最后給出具有方尾特征的高速艇體其對轉(zhuǎn)槳外掛布置形式，并分析了其自航的流場特征。可以看出，外掛對轉(zhuǎn)槳并沒有破壞方尾流場特性。