水面水下两用艇艇型设计及其水面阻力性能CFD 预报分析

王 慧，倪其军，李胜忠，张 倩，马丹萍

(中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)

0 引 言

传统水下航行体不具备水面高速航行能力，且受航程及续航能力的限制，在执行任务时通常需由母船搭载运输投放，不易隐藏且工作效率较低。近些年，随着市场需求的多元发展以及科技手段的不断更新，对船舶的功能提出了更高的要求，迫切需要一种兼具水面高速航行及水下隐蔽潜航能力的新型船舶。

水面水下两用艇具有水面高速航行及水下运载2 种运行功能，水面航速高、航程大，既可远程、大范围独立部署，也可由潜艇、水面船舶、飞机等平台投送，使用灵活且适用范围较广，因此对于此类新型船舶的研究也逐渐受到各国的重视。除军事用途外，两用艇也可用于海洋工程建设中的特殊用途及旅游观光，其研究对于军用和民用都有着非常重要的意义。目前，对于两用艇的研究主要集中在欧美各国，而国内在该领域的研究尚处于探索阶段，因此，开展兼具水面高速航行及水下隐蔽潜航功能的新型船舶的研究是非常必要的。

近些年，随着船舶CFD 的日益成熟，国内外许多学者已成功利用CFD 技术来辅助船舶设计，这大大缩短了新船型的开发设计周期。朱恒蕊等[1]利用CFD 辅助设计对6 000 DWT 渔船的船型进行了优化设计。常亮[2]、李云晖[3]等对CFD 数值预报在高速艇水动力性能研究中的应用做了较多工作。

本文首先对水面水下两用艇的发展现状及艇型特点进行了简要阐述，然后基于RANS 方法及重叠网格技术，对与两用艇艇底构型完全相同的双折角双防溅条滑行艇的自由模拖曳运动（计及升沉及纵倾）进行数值模拟，并与模型试验数据进行对比，验证了数值方法的可靠性。最后，对水面水下两用艇的水面航行阻力性能进行预报，分析了两用艇尾部特殊形状对其水面航行性能的影响，并尝试采用加装阻流板的方法改善两用艇的水面航行性能，讨论了阻流板对两用艇水面航行阻力特性的影响规律，为今后两用艇的设计及水动力性能研究提供参考。

1 水面水下两用艇发展现状及艇型特点

作为一种新概念艇，水面水下两用输送艇既可在水面高速航行也可以下潜到一定水深航行，与传统水下运载器相比的优势在于该艇可以在相当远的距离内完成高速运送任务，无需母船搭载运输。目前，许多国家都在开展相关的研发工作，其中瑞典、美国、俄罗斯在两用艇技术研究中处于领先水平。表1 为几种水面水下两用艇主要性能对比。

表 1 国外几种水面水下两用艇主要性能对比Tab. 1 Characteristics of existent dual-purpose craft

目前，国外两用艇水面最高航速可达40 kn，上层建筑少且多采用全封闭设计线型，艇底均采用高速滑行艇设计构型，在水面高速航行时其运动机理与高速滑行艇相似，可在高海况下航行。另外，两用艇艇型设计除了要满足水面航行要求外，还要考虑水下潜航过程中稳定的航行姿态及良好的操纵性能。

本文将围绕自行设计的水面水下两用艇初期设计方案进行研究。为了满足水面高速低阻的航行要求，两用艇水线以下采用双折角深V 尖舭的滑行艇构型，使艇在水面高速状态下较容易进入滑行阶段，艇底设计有前后错位的双防溅条，起到抑制喷溅的作用，减小航行过程中艇底压力损耗[4]。图1 为水面水下两用艇与双折角双防溅条滑行艇船舯横剖面对比图，可以看出，两用艇水线以下线型与滑行艇完全相同。与传统水下水滴型对称航行体不同，两用艇水线以上封闭线型在甲板边线处平行内收，而后形成圆弧状封闭艇体。

图 1 滑行艇与两用艇船舯横剖面对比图Fig. 1 Comparison of central lateral plane between planing craft and dual-purpose craft

另外，考虑到方形尾部曲线会对两用艇水下航行时的快速性及操纵性能产生不利影响，两用艇尾部额外设计增加了一段凸出假尾。如图2 所示，与常规滑行艇相比，两用艇尾部具有一定的纵向斜升角，从而形成了独特的斜升型尾部曲线，特殊的尾部形状不但会增加水面航行时的滑行面面积，还会改变艇体压力及尾部流场的分布，进而影响两用艇水面高速航行时的阻力性能及航行姿态。

图 2 滑行艇与两用艇艉部形状对比图Fig. 2 Comparison of stern shape between planing craft and dual-purpose craft

2 数值方法及流域划分

由不可压缩Navier-Stokes 方程进行时间平均得到RANS 方程：

重叠网格将不同运动部分单独划分网格后嵌入到同一背景网格中，不同区块网格可以以任意方式重叠嵌套，并通过重叠部分完成流场信息的交流互换，网格划分技术更加灵活，更适用于高速艇大幅度大角度的运动计算模拟[5]。因此，本文所有数值计算均采用重叠网格技术进行艇体运动的预报。图3 为重叠网格流域划分方案。

图 3 流域划分及边界条件Fig. 3 Computational domain and boundary conditions

结合计算精度及计算时间、资源等因素，本文数值计算艇体网格尺度取为艇长的0.7%，过渡状态取=100， 滑行状态取=200， 计算采用 S S Tk-ω湍流模型，时间步长为0.001 s，以此来提高计算精度和效率。

3 滑行艇线型数值计算

3.1 计算模型及网格划分

本文首先将两用艇滑行艇构型单独剥离出来，形成双折角双防溅条滑行艇模型进行数值计算。滑行艇在高速航行时会出现较大幅度的升沉及纵倾运动，流场变化剧烈。为了提高艇体阻力及运动的预报精度，在艇体周围、自由液面及尾流场附近均进行了不同程度的网格加密。图4 为滑行艇模型及流域网格划分。

图 4 艇体及流域网格划分Fig. 4 Profile views of planing craft and mesh arrangement

3.2 滑行艇计算结果及分析

1）由表2 可知，艇体处于过渡状态时的阻力计算结果误差在5%～10%之间，处于滑行状态时阻力计算误差介于0.042%～5%之间，阻力计算误差均保持在10%以内，且随着傅汝德数的增大，数值模拟阻力变化趋势与试验结果趋势基本吻合，可以较好反映滑行艇自由模航行过程中的阻力特性。由图5 可以看出，滑行平板阻力估算公式对于此类具有双折角线双防浪条的滑行艇阻力估算结果可靠性较差。

表 2 滑行艇自由模总阻力数值预报结果与试验结果Tab. 2 Numerical and experimental results of the total resistance for the planing craft

图 5 滑行艇线型总阻力数值计算值与试验值对比图Fig. 5 Comparison of total resistance between computational and experimental results for planing craft

图 6 滑行艇线型纵倾角数值计算值与试验值对比图Fig. 6 Comparison of trim between computationaland experimental results for planing craft

图 7 滑行艇线型升沉数值计算值与试验值对比图Fig. 7 Comparison of heave between computational and experimental results for planing craft

2）由图6 和图7 可以看出，数值模拟对滑行艇自由模运动过程中航态的预报结果与试验结果较为接近，变化趋势吻合良好，预报精度较高。

4）由图8 可以发现，舭部双折角线及双防溅条的存在对于艇底的压力分布有较大的影响，防溅条在抑制水流分离喷溅的同时也将一部分水流阻滞在相应位置，从而形成防溅条附近的高压区域，从图中还可以明显看出高速运动过程中喷溅流离开舭部折角时对压力分布产生的影响。另外，数值模拟对于尾部“鸡尾流”也有较好的体现。

图 8 Fr▽=3.979 2 时滑行艇艇底压力云图及自由液面波形图Fig. 8 Pressure distribution of hull bottom and wave contours of free surface when Fr▽=3.979 2

5）由图9 可以看出，有相当一部分的横向水流被2 条防溅条阻挡，剩余水流最终在艇体折角处发生流动分离，此时，横向喷溅作用已被很大程度削弱，防溅条的存在可以有效抑制滑行艇的喷溅作用，同时还可增加滑行面面积。

图 9 滑行艇艇底流场分布图Fig. 9 Free water surface near the ship body

4 两用艇水面阻力性能预报分析

4.1 计算模型及工况

事实上，水面水下两用艇水线以上的弧状封闭线型对于两用艇水面航行时的水动力性能影响甚小。为了简化建模过程，减少计算网格数量，本文在计算两用艇水面航行状态时将忽略封闭盖，仅保留滑行艇及假尾构型。两用艇简化模型及网格划分如图10 所示。

图 10 两用艇简化模型及网格划分Fig. 10 Simplified model of dual-purpose craft

为与滑行艇水动力性能进行比较，两用艇水面状态数值计算工况、网格划分以及数值模拟方法等均与滑行艇数值计算相同。

4.2 两用艇计算结果与分析

表3 及图11 为两用艇与滑行艇数值计算总阻力的比较，表4 为两用艇与滑行艇纵倾与升沉数值计算结果对比。

将两用艇与滑行艇计算结果对比可以发现：

1）Fr∇＜1.9896 航速较低时，两用艇与滑行艇均未起滑，此时两用艇假尾对于艇体的阻力及航态影响较小。因此，低速状态下两用艇总阻力数值模拟结果与滑行艇数值模拟结果差别不大，航态也基本一致。由图12（a）可以看出，低速时两用艇与滑行艇尾部流场分布差别甚微，假尾的影响很小。

表 3 两用艇与滑行艇总阻力数值计算结果Tab. 3 Numerical total resistance for planing craft and dual-purpose craft

通过以上对比可以发现，纵向斜升型假尾对两用艇的水动力性能有很大的影响，使得艇体水面运动幅度加大，导致两用艇总阻力增加。因此可以考虑加装阻流板等附体来改善两用艇的航行性能。

4.3 阻流板对两用艇水面阻力性能的影响规律

阻流板是安装于艇体尾板下缘的一块薄板，是目前高速船舶设计中减阻效果较好、应用最为广泛的附体之一。两用艇阻流板尺寸主要参考了同等尺度滑行艇的阻流板尺寸，长度（、宽度（）、厚度（）分别为112 mm，50 mm，5 mm，如图14 所示。

图 14 阻流板安装位置及网格Fig. 14 View and mesh of interceptor

1）随着阻流板伸出深度的不断增大，两用艇纵倾角及升沉值逐渐减小，艇体运动幅度减小，两用艇所受总阻力呈递减趋势，阻流板具有非常明显的减阻作用。由图15～图17 可以看出，阻流板伸出量的变化对于两用艇阻力性能及航行姿态的改善存在一个最佳值。伸出量达到50%时，减阻率为44.01%，伸出量为80%时，减阻效果最好，减阻率为47.21%。伸出量在50%之后，减阻效果对于阻流板深度的变化变得不敏感，阻流板伸出量超过最佳深度后，艇体阻力反而有增大的趋势。

3）图18 为阻流板不同伸出深度时的自由液面流场分布图，可以发现，阻流板的存在使得两用艇尾部流场的谷峰值大大减小，流场流动变得缓和，兴波减小，从而使得艇体总阻力变小。由图19 可以看出，阻流板阻挡了尾部流体的流动，并在阻流板前方形成压力驻点，同时产生较大的首倾力矩，使得艇体纵倾角减小，艇底压力驻线向前移动，升力系数增大，艇体升沉减小。

图 15 两用艇总阻力随阻流板伸出量的变化曲线Fig. 15 Numerical total resistance for dual-purpose craft at different blade deployment of interceptor

图 16 两用艇纵倾角随阻流板伸出量的变化曲线Fig. 16 Numerical trim for dual-purpose craft at different blade deployment of interceptor

图 17 两用艇升沉随阻流板伸出量的变化曲线Fig. 17 Numerical heave for dual-purpose craft at different bladedeployment of interceptor

图 18 不同阻流板伸出量时的自由液面波形图Fig. 18 Wave contours of free surface at different bladedeployment of interceptor

5 结 语

本文对水面水下两用艇的发展现状及艇型特点进行简要阐述，然后基于RANS 方法及重叠网格技术，对双折角双防溅条滑行艇及水面水下两用艇的自由模拖曳运动（计及升沉及纵倾）进行数值模拟，并研究了阻流板对两用艇水面航行阻力特性的影响规律，得出以下结论：

图 19 不同阻流板伸出量时的艇底压力分布图Fig. 19 Pressure distribution of hull bottom at different blade deployment of interceptor

1）水面水下两用艇集水面高速航行与水下潜航功能于一体，为了满足水面高速低阻的性能要求，两用艇艇底多采用滑行艇构型。同时，两用艇的整体外形设计还需考虑水下航行性能要求，需要将水面高速艇与水下运载器线型巧妙融合。

2）本文所用数值预报方法对处于滑行状态的高速艇总阻力计算精度高于过渡状态，滑行阶段总阻力计算误差在5%以内，过渡阶段总阻力计算误差在10%以内，计算结果较为可靠。同时，数值方法对于高速艇航态（升沉及纵倾）的预报结果与试验数据吻合较好，变化趋势也基本一致。数值预报结果可以较好地反映出高速艇艇底压力分布规律、高速航行中的喷溅及“鸡尾流”现象。

3）水面水下两用艇尾部特殊外形使得两用艇总阻力增大，航态变化加剧。两用艇纵向斜升型尾部外形改变了艇底流场分布，使主艇体与假尾交线附近形成低压区域，从而形成较大的尾倾力矩，使得艇体纵倾及升沉加剧，尾部流场兴波变得剧烈。与滑行艇相比，假尾的存在增大了两用艇水面航行的摩擦阻力及兴波阻力，最终导致两用艇总阻力的增大。

4）加装阻流板可以有效减小两用艇水面航行总阻力，改善艇体航行性能。通过研究阻流板不同伸出深度对两用艇阻力性能的影响规律可以发现，阻流板深度对于两用艇的减阻效果存在一个最佳值，阻流板伸出深度超过最佳值之后艇体阻力反而有反向增大的趋势。