基于CFD的波浪中截流板减阻效果研究

齐健璋 毛筱菲

(武汉理工大学船海与能源动力工程学院1) 武汉 430063) (武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点实验室2) 武汉 430063)

0 引 言

截流板是一种安装于船艉底部的附体，也被称为阻流板、扰流器、拦截器、艉插板、艉扰流板等，通常安装于船艉艉封板下缘.适当尺寸的阻流板能够降低阻力，改善船舶快速性.Zaninovic[1]将截流板应用于一艘半排水型船舶模型上，确定了截流板减阻和调节航态的效果.在此基础上，截流板的应用被推广到高速滑行艇、双体船、多体船、乃至中低速大型商船等多种船型上[2-5]，其中高速船应用最为普遍.对于截流板减阻效果的影响因素，主要是船底以下伸出的长度(即截流板的浸深)，其次则是航速、船型等.截流板能够使船舶尾倾减弱，艉部流场得到改善，抑制船体兴波，降低船舶阻力，根据航速、船型等因素进行截流板浸深的主动控制能够起到更好的减阻效果[6-9].同时，截流板还能够改善船舶耐波性，抑制船舶纵摇[10].随船体当前航态实时主动控制截流板浸深，能够相应提供不同大小的升力，更好地抑制纵摇.如在船艉两侧非对称地实时主动控制截流板浸深，还可以抑制横摇，且能够辅助船舶进行回转运动，提高操纵性.目前，瑞典的Humphree公司、意大利的LA.ME.公司等均有开发并商用基于截流板的航态控制系统.

随着计算资源的井喷式爆发和计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)的发展，数值模拟方法被越来越多地应用到截流板的研究中.Brizzolara[11]基于CFD技术分析了截流板的减阻效果和对船舶的影响，并验证了数值模拟和模型试验的一致性.现如今，关于截流板减阻效果的研究多关注静水中的减阻效果和机理，对截流板在波浪中的水动力效果研究较少，截流板对船舶在波浪中水动力性能的影响是否和静水中具有一致性值得探讨.

文中针对某登陆艇模型，基于重叠网格DFBI方法，对其光体和带有截流板的模型进行静水直航CFD模拟，并与模型试验数据进行对比验证.在此基础上，进行了该模型艇在规则波迎浪中的运动模拟，分析截流板对模型艇在规则波中航行时阻力和纵摇、升沉响应特性的影响.

1 CFD数值模拟

数值模拟计算流场属于三维、两相、黏性的不可压缩流体流动，对于湍流的模拟采用雷诺平均法，有控制方程为

(1)

(2)

(3)

数值模拟计算对象为某登陆艇模型，外观见图1a)，其设计航速对应体积傅弗劳德数Fr=1.194，处于1.0

表1 模型艇尺度比与船型系数

常规意义上的截流板为垂直于水平面的平板，而用于模拟中的截流板为一扇形柱状板，绕模型艇艉封板下缘为轴转动，实现对截流板浸深的控制，浸深变化范围为0～0.025%船长.摇动式截流板在起到传统直板作用的同时，也具有一定的压浪板效果，能够改善艉部截流板处的流动，对其浸深的定义取垂直方向投影面上的等效浸深，示意图见图1b).

为模拟过渡型艇航行时周围流场，建立了图1c)的计算域.该数值波浪水池为一长方体，船前1倍船长，船后5.5倍船长，船侧50%倍船长，自由液面以下75%船长，自由液面以上40%船长.计算使用对称半模，入口、顶部以及底部边界条件设置为速度进口，出口边界条件设置为压力出口.

采用动态重叠网格技术，在船体附近设置重叠网格区域，为了能够精确捕捉自由液面、满足重叠网格插值精度要求，在自由液面处和重叠区域及附近区域分别进行了网格加密，由于截流板与船体尺度相差过大，对截流板附近区域进行额外加密.船体表面边界层采用棱柱层网格，权衡计算精度与效率，设定6层棱柱层网格，Y+值控制在100以下，重叠网格划分见图1d)，背景网格与重叠网格数共366万.

图1 三维模型与CFD设置

2 带有截流板的模型艇静水直航数值模拟

截流板的减阻效果与航速、船型、截流板浸深有关.对于CFD模拟中使用的摇动式截流板，可用转动角度、浸深船长比、最大浸深百分比三个参数表示，三者一一对应，带有截流板的模型艇静水直航数值模拟计算工况见表2.

表2 模型艇静水直航数值模拟工况

根据经验，CFD数值模拟的准确度在船舶航速较高、航行姿态发生变化时相对较差.为验证计算方法、网格划分方案的可靠性，将有无截流板的模型艇在两种较高航速(航行进入过渡阶段)工况下的数值模拟结果与模型试验数据对比，发现阻力数据平均误差4.753%，最大误差5.698%，纵倾角平均误差6.023%，升沉平均误差8.336%，总体误差较小，故认为使用该重叠网格计算方案进行数值计算可以较为准确地预报过渡型艇不同傅汝德数下的静水阻力，对纵倾、升沉的预报也有较高的准确度.误差数据见表3.

表3 CFD与EFD数据对比

图2为不同浸深截流板对不同航速下模型艇净水阻力和纵倾角的影响.由图2a)可知：当模型艇Fr<0.54，Fr<1时，航行处于排水阶段，截流板的使用并没能减小静水阻力，反而会使阻力增大，截流板浸深越大，阻力增值也就越大；而随着航速的提高，当航行进入过渡阶段后，截流板渐渐产生了减阻效果，航速越高，减阻效果也就越明显；截流板的减阻效果存在明显的航速界限，界限航速约为Fr=0.47，Fr=1.04.由图2b)可知：在某一航速下截流板存在减阻效果最好的最优浸深.由图2c)可知：模型艇航行从排水阶段到过渡阶段，截流板均能起到减小纵倾的效果，较低航速时纵倾减小的幅度较小，随航速升高，纵倾减小的幅度逐渐增大.由图2d)可知：在某一特定航速下，纵倾角会随着截流板浸深增大而减小，这种调节效果随截流板浸深增大而减弱，当浸深较大时纵倾调节效果几乎不再随纵倾角改变而提升.

图2 不同浸深截流板对不同航速下模型艇净水阻力和纵倾角的影响

图3将不同浸深(转动角度)截流板的模型艇静水直航艉部流场、自由液面和船底压力绘图，截流板的浸深(转动角度)从上到下依次排列.由图3可知：在较高航速下，水流在经过艉封板下缘时受到了截流板的扰动，发生弯曲，从截流板下方“绕过”船艉，直至距离艉部一定距离处.在船艉处流速也因此有所减小，随着截流板转动角度增大，截流板浸深增加，水流在船艉处受阻碍后流速降低，虚长度随之逐渐增加，使船艉兴波得到改善，压差阻力降低；与此同时，船艉受到的抬升力也有所提升，模型艇纵倾角减小，艉倾问题得到改善.

图3 不同浸深(转动角度)截流板对模型艇静水直航艉部流场、自由液面和船底压力的影响

3 带有截流板的模型艇在波浪中航行数值模拟

船舶在实际海域中航行，会因波浪作用在船身上的力产生六自由度摇荡运动，因而会出现失速现象，影响船舶快速性.在静水中截流板对模型艇运动影响的研究基础上，构建数值波浪水池进行数值造波，模拟有无截流板的模型艇在波浪中的运动，探讨在波浪中截流板是否依然能够起到减阻效果、截流板对模型艇在波浪中水动力性能的影响是否和静水中具有一致性，此部分计算工况见表4.

表4 规则波迎浪中有无截流板的模型艇运动数值模拟工况

3.1 数值造波

采用边界造波法，通过直接控制计算域入口边界作为扰动源，在边界上布设波高及速度扰动量来生成波浪.为判断数值波浪水池是否满足数值仿真的要求，在船艏前方50%船长位置设置探针作为监测点，进行波面抬高数据的采集.

3.2 有无截流板对模型艇在波浪中阻力的影响

对有无截流板的模型艇在不同频率(波长)规则波中的运动进行数值模拟，结果见图4.

图4 不同波长规则波中模型艇总阻力、摩擦阻力、压差阻力和纵摇、升沉运动频响曲线及造波验证

由图4a)可知：对于该模型艇，截流板均能使模型艇在波浪中的总阻力降低，说明截流板在波浪中能够对模型艇起到减阻作用.在波长船长比较小时，截流板减阻效果相对更强，而随着波长增大，减阻效果逐渐减弱.由图4b)～4c)可知：在波陡0.01的迎浪规则波中，模型艇以设计航速航行时，在波长船长比1.2以下的区域内，截流板的使用能够抑制纵摇和升沉运动，而在波长较长的区域内则反而会加剧纵摇和升沉运动.由图4d)～4e)可知：截流板的使用均能使摩擦阻力和压差阻力都有所降低.相比于压差阻力，摩擦阻力在模型艇总阻力中占比更低，截流板的减阻效果大部分来源于压差阻力的降低.当波长较小时，截流板使模型艇压差阻力降低的效果更强，而随着波长增大，压差阻力降低的幅度也越来越小，截流板的减阻效果逐渐减弱.

将带有截流板的模型艇在不同波长下的自由液面波形、船底压力分布和船艉底部流场作对比，见图5.模型艇以设计航速在波陡0.01的迎浪规则波中航行时，波长较短的波浪中带有截流板的模型艇船艉流场更为舒缓，模型艇的阻力更小.

3.3 有无截流板对模型艇波浪增阻的影响

船舶在波浪中航行时会出现失速现象，与船舶在静水中航行时的阻力值相比，波浪中的阻力增值即为波浪增阻.由图4a)总阻力曲线来看，截流板对不同波长规则波中模型艇的总阻力都是有降低效果的，为更好地了解截流板减阻的水动力机理，对截流板对波浪增阻的影响及不同成分阻力增值的变化规律进行分析.

波浪增阻系数是将带有截流板模型艇在波浪中的阻力与其在静水中的阻力做差得到的，本质上反映的是带有截流板的模型艇在波浪和静水中的差异，而非截流板对模型艇波浪中阻力的影响.为此，将带有截流板模型艇在波浪中的阻力，与无截流板的光体模型艇在静水中的阻力做差计算，类似于波浪增阻系数Caw，定义相对光体波浪增阻系数Cawb，二者定义为

(4)

(5)

图6为有无截流板的模型艇在不同波长规则波中的波浪增阻情况.

图6 有无截流板的模型艇在不同波长规则波中的波浪增阻情况

由图6a)可知：不同波长的规则波中，光体的波浪增阻要普遍小于带有截流板模型艇的波浪增阻；由图6b)可知：在波长0.5～2.4时，带有截流板的模型艇的Cawb小于光体模型艇的Cawb，说明在大部分波浪成分中，截流板的使用能够使模型艇的波浪增阻减小；而从数值上看，在波长船长比0.5～1.5时，带有截流板的模型艇Cawb为负值，在这一范围内带有截流板的模型艇在波浪中的阻力比光体在静水中的阻力更小；值得注意的是，在波长船长比0.5处，带有截流板的模型艇Cawb比光体小得多，这可能是来源于短波区巨大绕射增阻的影响.由图6c)～6d)可知：模型艇在波浪中的摩擦阻力增值在波浪增阻中占比小，而压差阻力增值占比较大；模型艇在波陡0.01、波长不同的规则波迎浪中以设计航速航行，在波长船长比1.5以上时，摩擦增阻系数出现负值，带有截流板的模型艇，其波浪中的摩擦阻力比在静水中的摩擦阻力更小.究其原因，是因为模型艇航态在这一波长范围内得到显著改善，湿表面积较静水中更小，摩擦阻力也随之减小；但在波长船长比1.2以上时，带有截流板的模型艇，其压差增阻系数要比无截流板的光体压差增阻系数更大.

3.4 特定波浪中截流板减阻效果的航速界限

对于在静水中航行的模型艇，截流板的减阻效果存在航速界限，当航速高于界限时能够起到减阻效果，航速时低于界限时减阻效果不明显，甚至反而会导致阻力增加.而在波浪中，模型艇的阻力、航行姿态都会发生变化，波浪中截流板对模型艇的减阻效果是否依然存在相似的航速界限、波浪中截流板减阻效果随航速的变化规律与静水中是否具有一致性等都值得讨论.

图7为不同航速下有无截流板的模型艇在特定波浪中的总阻力、相对光体波浪增阻和纵摇升沉运动.

图7 不同航速下有无截流板的模型艇在特定波浪中的总阻力、相对光体波浪增阻和纵摇升沉运动

由图7a)可知：在波长等于船长、波陡0.01的规则波迎浪中，截流板存在减阻效果的航速界限(图中星标位置)，界限值在模型艇Fr=0.450(Fr=0.997)到Fr=0.540(Fr=1.194)之间，也正是模型艇航行状态从排水阶段到过渡阶段的交界处，随着航速升高，减阻效果也越发明显.由图7b)可知：在波长船长比等于1、波陡0.01的规则波迎浪中，带有截流板的模型艇在排水阶段的Cawb要比光体Cawb更大，而在过渡阶段则远小于光体Cawb，在过渡阶段Cawb出现负值，说明使用截流板的模型艇在波浪中的阻力甚至比光体在静水中的阻力更小，截流板的使用在较高航速时能够有效降低波浪增阻.由图7c)～7d)可知：在波长等于船长、波陡0.01的规则波迎浪中，不同航速下使用截流板均能够使模型艇纵摇幅值下降；升沉幅值的变化与阻力类似，在较低航速下使用截流板能够使升沉幅值升高，在较高航速下则能够使升沉幅值降低.总的来说，截流板在模型艇以较高航速(航行处于过渡阶段)航行时能够有效改善其耐波性.

图8为不同航速下有无截流板的模型艇在特定波浪中运动的流场、船底压力、波形云图.由图8可知：随着航速增加，截流板的减阻效果越发明显，虚长度显著增加，并且在船艉底部截流板附近形成了高压区域，鸡尾流并没有因截流板的使用而表现出大幅度的减小，在较高航速时，截流板反而会增大兴波波幅.但在低速段(排水阶段)，模型艇船艉后方没有明显的鸡尾流形成，而是形成漩涡，虚长度不明显，使用截流板反而会导致船艉底部水流被干扰，导致模型艇阻力增加.

图8 不同航速下有无截流板的模型艇在特定波浪中运动的流场、船底压力、波形云图

从截流板的作用机理分析，其减阻效果主要通过降低船舶纵倾实现，当模型艇处于较高航速时会出现抬艏现象，水流经过船底艉封板处时流动因截流板而发生改变.根据伯努利原理可知，截流板的存在会在船底艉部附近提供升力，使得船舶纵倾和升沉运动受到抑制，船艉虚长度增加，船长傅汝德数等效降低，航态得到改善，从而降低总阻力；但当模型艇航速较低、处于排水阶段时，航态本就比较稳定，水流速度也不足以在船艉产生虚长度，截流板的使用会造成船艉处阻力增大.

4 结 论

1) 使用重叠网格DFBI方法，能够准确地模拟带有截流板的过渡型艇在静水和波浪中的运动，数值模拟结果与试验数据吻合良好，误差较小.

2) 在静水中，截流板对于航速较高、航行处于过渡阶段的模型艇具有减阻和调节纵倾的效果，而对于航速较低、航行处于排水阶段的模型艇，虽然同样能够调节纵倾，但反而会导致阻力增大，截流板在静水中的减阻效果存在航速界限，约在0.997

3) 当模型艇以设计航速(Fr=0.540)在波陡为0.01的规则波迎浪中航行时，浸深为0.00125倍船长的截流板在波长船长比0.5～3.0的各波浪中均能使船舶总阻力下降，纵摇和升沉运动也得到抑制，尽管波浪增阻系数升高，但截流板带来的波浪增阻依然小于其减阻效果；在相同浸深下，截流板减阻效果的航速界限与静水中相似，减阻效果会随航速升高而提高，同时总阻力、相对光体波浪增阻和升沉运动幅度均有所减小，而纵摇运动在高低航速段均因截流板的使用而得到抑制.