游艇阻力估算方法比较

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(华南理工大学 土木与交通学院，广州 510640)

游艇阻力估算多数是通过统计现有的游艇资料获得的经验公式或经验图谱，或者使用基于细长体理论[1-2]的Maxsurf软件[3]来完成游艇阻力预报。相比船模试验，这些方法的计算效率更高。但不足之处在于不同经验公式计算结果相差较大，准确性不定。不同类型的游艇所选用的阻力估算方法有所不同[4]。此前在船模试验及理论方法分析中，大多选择体积弗汝德数在0.6～2.8之间的过渡型艇及排水型艇置于同一组实验进行测试。这里将过渡型游艇和排水型游艇的阻力估算方法归为一类，称为半滑行艇的阻力估算法。对于半滑行艇阻力的初步估算方法主要有大隅三彦中低速度域制动马力图谱估算法、NPL船体阻力估算方法、Omega游艇阻力估算方法和经验公式法；对滑行艇阻力初步估算的方法主要有平板滑行理论阻力预估法、大隅三彦经验图谱法(小型动力艇)、大隅三彦经验公式估算法及Angeli阻力估算方法[5]。目前常用的数值模拟方法主要有FULENT、XFlow及Maxsurf等软件分析法。对游艇阻力数值计算，大多选择FLUENT，但在模型网格的划分和自由液面的捕捉方面存在不足。而XFlow软件计算游艇阻力效率较高，对模型的要求比较低，并且相对容易处理自由液面[6]。因此,考虑选择XFlow和Maxsurf软件，分别对半滑行艇和滑行艇的阻力进行数值模拟。

针对单体游艇，选择2艘不同类型的游艇，分别计算游艇阻力。对结果进行定量比较分析，从而确定出估算不同类型游艇的阻力比较准确的方法。

1 游艇模型简介

选取的游艇动力艇的主尺度见表1。

表1 游艇模型的主尺度

2艘游艇数值模拟流体模型见图1。

2 计算结果与分析

2.1 自由液面速度场的模拟与分析

通过XFlow软件分别对半滑行艇及滑行艇自由液面速度场的变化进行数值模拟，半滑行艇在体积弗汝德数分别为1.3和3.1的工况下自由液面速度场的变化见图2、3。

由图2可见，当t=1 s时，自由液面速度较小，随着时间的增加自由液面速度分布变化越来越明显；当t=30 s时，在舷侧和艉部产生大量速度场，自由液面速度分布逐渐扩散到整个计算区域。在30 s以后，液面变化不大，趋于稳定状态。在整个计算周期内自由液面速度场的分布关于半滑行艇的中纵剖面完全对称。

由图3可见，当t=1 s时，自由液面的速度较小，随着时间的延续自由液面速度分布范围逐渐扩大；当t=30 s时，在舷侧和艉部产生大量速度场，自由液面速度分布逐渐扩散到整个计算区域。在30 s以后，速度场变化不大，趋于稳定状态，并且在整个计算时间内速度场沿着滑行艇的中纵剖面对称分布。

对比图2和图3关于半滑行艇和滑行艇的速度场的变化可知，任意时刻速度场的分布在游艇的左右舷都是相同的。当时间在由0 s逐渐增加到30 s，自由液面速度分布逐渐扩散到整个计算域，30 s以后速度场的变化趋于稳定。游艇在自由液面的速度场随时间的变化比较接近在实际工况下流场的分布。

2.2 自由液面涡流场的模拟与分析

运用XFlow软件对半滑行艇及滑行艇自由液面涡流场的变化进行数值模拟，在体积弗汝德数分别为1.3和3.1时，半滑行艇涡流场变化见图4、5。

由图4可见，当t=1 s时，在半滑行艇2侧以及艏部产生较小的漩涡，在游艇艉部产生的涡量较大；随着时间增加，涡量分布范围增大直到覆盖到游艇艉部的计算域。当t=30 s时，自由液面涡流场的分布趋于相对稳定的状态。

从图5可见，当t=1 s时，在游艇2侧以及艏部产生较小的漩涡，在游艇艉部产生的涡量较大；当t=30 s时，游艇艉部产生涡量的区域变大，随着时间增加，计算域里的涡量分布范围增大，直至覆盖整个区域，此后涡量分布趋于稳定状态。

对比图4和图5，任意时刻涡流在游艇的左右舷的分布都是相同的。当时间由0逐渐增大到30 s，自由液面涡流场分布逐渐扩散到整个计算域，30 s以后涡流的变化趋于稳定状态。

2.3 游艇在自由液面的波形的模拟与分析

通过Maxsurf软件分别对半滑行和滑行艇的自由液面波形的变化进行模拟，见图6。

由图6可见，游艇在自由液面的波形沿游艇中纵剖面对称分布，波形的变化主要发生在游艇艉部，波峰波谷变化明显，逐渐散开向远处传播；半滑行艇及滑行艇波形对比表明，滑行艇在自由液面的波形变化更加明显，滑行艇在游艇艉部波峰波谷的分布比半滑行艇更密集；游艇在自由液面的波形图符合实艇在静水中航行时波形的变化。

2.4 阻力数值模拟与分析

2.4.1 半滑行艇阻力的数值模拟与分析

运用XFlow软件及Maxsurf软件分别对半滑行艇在体积弗汝德数为0.8、1.3、1.8、2.3及2.8的工况进行模拟分析，并将数值模拟结果与图谱法及经验公式方法估算结果进行对比，见图7。

由图7可见，大隅三彦制动马力图谱法和XFlow软件得出的阻力值在同一种工况下相对比较接近，阻力曲线趋势相同，都是先下降后上升，符合半滑行艇在实际航行工况下的阻力随体积弗汝德数的变化趋势。Maxsurf软件计算的结果在体积弗汝德数较小的时候与XFlow软件得出的结果相差较大，但是随着体积弗汝德数增加这2种方法计算的阻力越接近。NPL阻力估算法与Maxsurf软件计算的阻力曲线趋势相同，都是随体积弗汝德数增加持续上升，但两者计算得出的结果相差较大。而Omega估算法得到阻力曲线的变化趋势是先上升后下降，这与实际半滑行艇的阻力随弗汝德数的变化趋势不相符。

从定性上分析， Maxsurf软件得出的阻力随体积弗汝德数的增加而增大；从定量上分析，当体积弗汝德数大于1.3以后，计算结果与XFlow软件和大隅三彦图谱计算的结果比较接近；但当体积弗汝德数较小时，Maxsurf软件计算结果存在一定误差。由于XFlow软件计算游艇的阻力时所考虑的因素相比大隅三彦图谱来说，在理论上更加全面，因此其最终结果在后期高速时相对大隅三彦计算阻力的结果数值偏高，但总体符合半滑行艇阻力随体积弗汝德数变化的实际趋势。

2.4.2 滑行艇阻力的数值模拟与分析

运用XFlow软件及Maxsurf软件分别对滑行艇在体积弗汝德数为3.1～4.0(间隔0.1)时进行模拟分析，并将数值模拟结果与图谱法及经验公式方法估算结果进行对比，结果见图8。

从图8可以看出，几种方法计算滑行艇阻力的结果都不相同。XFlow软件和Maxsurf软件计算的结果比较接近，均大于大隅三彦经验公式和经验图谱结果。这4条曲线走势相同均是随体积弗汝德数增加而上升。平板滑行理论得出的阻力曲线随体积弗汝德数增大而下降，Angeli经验公式得出的阻力随弗汝德数的增加几乎趋近于一个常数，这2种方法得出的阻力均与实际滑行艇阻力随弗汝德数的变化趋势不相符。

定量分析，Maxsurf和XFlow软件得出的阻力结果比较接近且均大于大隅三彦经验公式和图谱计算结果，随着体积弗汝德数增加，软件与经验公式得到的阻力相差越大。这是因为随着航速的增加，游艇艇底开始抬出水面，艇本身的重力主要由游艇的升力来提供，随着航行纵倾角的增大，游艇本身受到的兴波阻力也会增加，总阻力会随着航速的增加而不断增加。

3 结论

1)对于半滑行艇的阻力预报，大隅三彦图谱法和XFlow软件得出的结果比较接近，当体积弗汝德数大于1.3以后，运用Maxsurf软件估算半滑行艇阻力得到的结果与XFlow计算结果相符合；估算滑行艇的阻力，大隅三彦经验公式的计算结果与数值方法比较接近，可以对滑行艇阻力进行初步估算。

2)数值模拟时，游艇在自由液面速度场、涡流场和波形图的分布关于游艇中纵剖面对称，且随时间的增加趋于稳定状态，这也与游艇在实际工况下航行时液面的速度场、涡流场和波形的变化一致。

3)在以后的研究中，可以通过考虑船模试验分别计算66 ft半滑行艇和25 ft滑行艇在不同弗汝德数工况下的阻力，并与本文数值模拟结果对比分析，更进一步验证XFlow软件预报游艇阻力的准确性，确定误差范围。同时，NPL阻力估算法、Omega估算法、平板滑行理论和Angeli经验公式这4种方法估算游艇阻力的结果也需要进一步与船模试验的结果进行比较，以验证其可靠性。