带阻流板的高速深V艇减阻机理研究*

朱 锋 陈嘉伟 何术龙 倪其军

(中国船舶科学研究中心1) 无锡 214082) (武汉理工大学交通学院2) 武汉 430063)

0 引 言

深V快艇具有制造工艺简单、耐波性优异、航向稳定性好等特点，但其航行过程中纵倾角变化剧烈.过大的纵倾角将影响艇的起滑，增大阻力峰的值，甚至出现起滑难等问题，过大的纵倾还会影响驾驶员的视野，存在一定的安全隐患.目前一般通过安装艉楔、固定式压浪板和可调式压浪板等节能附体来改善艇尾流场[1]，调节航行姿态，进而提高其航行性能.阻流板系统是一种新型的航行性能改善装置，一般也可称作扰流器、艉插板、拦截器等，其比压浪板更加高效，且还可通过两侧板的动态差动控制来实现减小横摇、纵摇、转弯半径和转弯时的向心减速度[2].不同的阻流板伸出长度和船舶所处的航速段范围是影响阻流板减阻性能的主要因素，合适的阻流板伸出长度可以有效降低船舶航行阻力，同时调整航态.然而当阻流板伸出长度过大时，也会使船舶产生埋首现象，从而增大阻力[3-4]，因此，需对阻流板不同伸出长度下深V快艇的水动力性能进行分析研究.

利用CFD技术预报高速滑行艇阻力性能时，还存在预报精度低等问题[5].文中对某高速深V快艇的阻力数值计算方法进行研究，从计算区域大小、网格数量和湍流模型三个方面确定该深V快艇的阻力数值计算方法.在该方法的基础上对过渡段和滑行段两个典型状态下，不同阻流板伸出长度下的阻力性能及运动姿态进行预报.结合自由面兴波和艇体表面压力分布来对阻流板的减阻机理进行分析，最终获得该艇阻力性能最优所对应的阻流板最佳伸出长度值.

1 数学模型及数值求解方法

1.1 数学模型与数值方法

采用目前工程实际中应用最广泛的RANS方法进行数值模拟[6-7], RANS方法还需引入湍流模型来封闭该方程.动量方程采用有限体积法(FVM)进行离散[8]，离散格式采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式，代数方程的求解使用的是Gauss-Seidel迭代方法[9-10].选用流场中经典的SIMPLE算法处理压力速度耦合问题.

采用上述数值计算方法的基础上，从计算区域大小、网格数量及湍流模型这三个方面对某深V快艇进行数值计算方法研究.

1.2 计算区域大小敏感度分析

计算区域选择的越大，计算模型越接近于无界扰流的情况，但同时也意味着计算量越大，计算所需的计算机硬件性能越高，计算效率(经济性)越低；计算域选择过小，计算所需的边界条件以及由此得到的计算结果就难以与无界扰流的情况相一致[11-12].

为了确定计算域大小，定义计算域大小因子F，其以船长L为基准单元，计算域向船首前方、船尾后方以及船垂直方向以及船宽方向延伸的距离与船长L的比值.图1为计算域示意图，其中：L3=10L1=5L2=5L5=20L4.

图1 计算区域示意图

主要计算参数如下：模型雷诺数Rem=1.452×107，模型体积弗劳德数Fr=2.832，湍流模型选择SSTκ-ω.表1为该高速深V快艇静水阻力计算结果.结果表明，当计算域大小因子F≥1.3后，计算结果趋于稳定，因此，确定计算域大小因子F=1.3.

表1 计算域大小对水动力计算结果影响

1.3 网格数量敏感度分析

图2 三套网格示意图

表2为不同网格数量在相同计算资源下(25个核)的计算结果与计算耗时.从中可以看出：网格数量在170万以后，计算结果已趋于稳定；且第三套网格的计算时间是第二套网格的4倍多，但精度收益微小，所以选择第二套网格(170万)作为后续数值计算的网格数量.

表2 三套网格的水动力数值计算结果

1.4 湍流模型选取分析

文中采用标准κ-ω、SSTκ-ω、标准κ-ε这三种不同的湍流模型进行分析，时间差分格式统一设定为2阶，动量差分类型统一设定为Super-bee形式，获得了不同的数值计算结果，见表3.

表3 不同湍流模型数值计算结果与试验结果对比

由表3可知，三种不同湍流模型的计算结果不尽相同，根据水池试验结果对比分析可知，采用SSTκ-ω湍流模型所获得的计算结果与水池试验值更接近，误差更小，因此，确定选择SST湍流模型.

通过上述研究，确定了高速深V快艇的阻力数值预报方法，具体如下：采用SST湍流模型、网格数量170万(半模)、计算域大小因子F=1.3.从与模型试验结果对比可知，该数值计算方法计算稳定、精度高，误差在2%～6%，满足工程预报要求，可以作为阻流板机理研究的方法基础.

2 阻流板减阻机理分析

2.1 阻流板外形方案确定

以上文中的高速深V快艇为研究对象，将阻流板安装在主船体尾封板下沿.阻流板的主要作用为调节深V快艇航行姿态、改善航行阻力，故将阻流板安装于艇尾封板1/4艇宽处，安装位置示意图见图3.阻流板尺寸根据本艇主尺度按照某公司产品选型进行初步设计，阻流板长为450 mm，可伸缩长度为100 mm，将可伸缩长度以10 mm为一档，分为10档进行数值计算.

图3 阻流板安装位置示意图

2.2 数值计算结果

阻流板减阻效果受到两个因素的影响：阻流板的伸出长度和快艇的航行速度.为了使计算更加高效和更具针对性，选取两个典型航速进行分析.一个为过渡状态航速17.5 kn，对应体积弗劳德数Fr=1.982，在该航速下模型阻力出现第一个峰值，对应纵倾角也最大；另一个为准滑行状态25 kn，对应体积弗劳德数Fr=2.832.

按照阻流板10%H伸出长度为一档分别进行计算，表4～5为取航速Vs=17.5和 25 kn时阻流板不同伸出长度下模型阻力与运动姿态计算结果.

表4 阻流板不同伸出长度下模型阻力与运动姿态计算结果及对比(Vs=17.5 kn)

表5 阻流板不同伸出长度下模型阻力与运动姿态计算结果及对比(Vs=25 kn)

由表4～5可知，合适的阻流板伸出长度对深V快艇的减阻起到积极作用，随着阻流板伸出长度的增加，深V快艇的阻力收益大致呈现出先增大、后减小的趋势.同时，两典型航速下，该深V快艇的纵倾角均得到改善，最佳减阻方案对应的航行纵倾角均在6°左右.当Vs=17.5 kn时，计算模型在不同阻流板伸出长度下均实现减阻，当阻流板伸出长度为40%H时，模型阻力值较光体阻力值减小了13.54%，深沉值增大了17.45%，纵倾角由原来的7.71°降为5.95°，减小了22.81%；当Vs=25 kn时，阻流板伸出长度为10%H、20%H和50%H三个状态下有减阻效果，当伸出长度为10%H时，阻力值减少最多，为3.84%，对应深沉值减小了4.34%，纵倾角减小了6.96%，其余不同伸出长度下的阻力值均未减小，并且随着伸出长度的增大，阻力值呈现先减后增的趋势.

2.3 阻流板减阻机理分析

在总阻力系数方面，总阻力系数CTM由摩擦阻力、兴波阻力及压差阻力三部分组成，该艇在17.5 kn时的雷诺数已经越过临界值，假设此时摩擦阻力系数随着航速的增大基本不变.考察典型航速17.5和25 kn时，阻流板最佳伸出长度下自由面兴波和艇体表面压力分布的变化情况.

图4为过渡状态与滑行状态下艇体两侧自由面兴波示意图，在两个典型状态下，阻流板的安装都可以改善艇体自由面兴波，对艇体两侧波浪飞溅起积极作用，从而降低了兴波阻力.

图4 两典型航速下艇体两侧自由面兴波图

图5为两典型航速下艇艉波形图，由图5可知，在安装阻流板后，鸡尾流高度降低，船舶的虚长度边长，这也一定程度降低了总阻力系数.

图5 两典型航速下艇艉波形图

图6为过渡状态与滑行状态下艇底压力分布，艇艉阻流板的安装对水流存在阻碍作用，在阻流板附近压力突变，形成一个正压区，导致压差阻力增大.

图6 两典型航速下艇底压力分布图

在湿面积方面，由表4～5可知，两典型航速下模型纵倾角及湿面积随阻流板伸出长度变化规律，由表可知，随着阻流板伸出长度的增加，艇体浸湿面积大致呈现出单调递增的趋势，由于浸湿面积与艇体的航行姿态密切相关，根据纵倾角随伸出长度变化情况来看，伸出长度越大，对应纵倾角越小，艇体首部浸湿面积就越大.

3 结 论

1) 基于RANS方程的数值计算方法预报精度较高，能够满足方案设计阶段对深V高速艇的预报需求.

2) 相对于高速艇处于滑行状态，阻流板在高速艇处于过渡状态时减阻效果更加明显，合适的阻流板伸出长度可以大幅降低模型总阻力峰值，使艇的起滑更容易.

3) 阻流板的使用增大了艇体的湿面积，但减小了阻力系数，在合适的伸出长度情况下，阻力系数减阻的收益大于湿面积增加导致的阻力增大，起到了减阻效果.

4) 在总阻力系数方面，阻流板将引起艇尾部压差阻力的增大，但可降低兴波阻力，由于兴波阻力的减小值较压差阻力的增大值要大，因此总阻力系数依然得到降低，且阻流板减小了船艉鸡尾流高度，增加了船舶的虚长度.

5) 阻流板的减阻机理主要是通过改变艇体压力分布，改善航行姿态，降低兴波、减小艇体两侧飞溅阻力、增加船舶虚长度，进而降低剩余阻力来实现.