高速深V艇阻力预报方法及阻流板减阻机理研究.docx

高速深V艇阻力预报方法及阻流板减阻机理研究朱锋，陈嘉伟，张超，张倩（中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）摘要：首先针对深V快艇数值预报精度低的问题，从计算区域大小、网格数量及湍流模型这三方面开展基于RANS方程的深V快艇阻力性能数值预报方法研究，获得的数值计算结果与水池模型试验对比误差在2%6%之间，满足工程精度要求。随后定量研究了阻流板对深V快艇的总阻力和航行姿态的影响，考察阻流板不同伸出长度下该深V快艇的减阻效果，并结合自由面波形、艇体压力分布等对阻流板减阻机理进行剖析，获得了阻流板在典型航速下的最佳伸出长度，为深V复合艇的构型设计提供技术支撑。关键词：深V快艇；阻流板；模型阻力；数值模拟中图分类号：X524文献标志码：A引言深V型快艇阻力性能预报通常采用经验公式或者模型试验的方法，该方法普遍存在经验公式预报精度低、模型试验预报周期长、成本高等不足，不能满足方案设计阶段对船型的快速优选需求。随着CFD技术的迅速发展，基本可以替代传统水池模型试验手段，对常规船艇的水动力性能预报已经十分成熟，精度也较高，但在预报高速滑行艇阻力性能时，还存在预报精度低等问题。虽然深V快艇以其优异的耐波性能得到广泛的应用，但其静水阻力性能相应会有所下降，因此有必要探索其减阻措施，一般通过安装尾部节能附体来改善艇尾流场，调节航行姿态，进而提高其航行性能。目前，阻流板系统得到广泛应用，研究表明阻流板对于船舶的航行姿态有着积极地改善作用，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，也会使船舶产生埋脑现象，从而增大阻力，因此需对阻流板不同伸出长度下深Y快艇的水动力性能进行分析研究。本文首先对某高速深V快艇的阻力数值计算方法进行研究，确定该类深V快艇的阻力数值计算方法，接着对不同阻流板伸出长度下该深V快艇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，为深V复合船的开发提供了技术支撑。1数学模型及数值求解方法1.1数学模型RANS方法是目前工程实际中应用最广泛的数值模拟方法。具体形式如下：基金项目:国家自然科学基金面上项目式中：%(i=1,2,3)为三个坐标轴方向上/的速度分量，七«=1,2,3)为三个坐标轴方向上的坐标分量，P为压力，。为流体密度，为流体的运动粘性系数，为时间。其中%，%，为时均量，(-r-wzMy为雷诺应力项。通过引入湍流模型来封闭该方程，下面给出了SSTkf湍流模型方程：jI=-)jfGk-Yk(1.2)otoxioxjxj(p<y)+(pui)=(w)+Gft,-tf(1.3)OtOXiOXjOXj1.2 数值求解方法动量方程采用有限体积法(FVM)进行离散，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-SeidCl迭代方法。选用流场中经典的SIMP1.E算法处理压力速度耦合问题，SlMP1.E算法是求解压力耦合方程的半隐式方法，该方法是一种主要用于求解不可压缩流场的数值方法，。采用上述方法对某深V快艇进行数值计算方法研究，从以下三个方面进行：计算区域大小、网格数量及湍流模型。1.3 计算区域大小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。为了确定计算域大小，定义计算域大小因子F,其以船长1.为基准单元，计算域向船艄前方、船艇后方以及船垂直方向以及船宽方向延伸的距离与船长1.的比值。下图1为计算域示意图，其中：1.3=101.i=51.2=51.5=201.i。图1计算区域示意图主要计算参数如下：模型雷诺数Rg=1.452×107；模型傅氏数Frk2.832,；湍流模型选择SSTk-wo下表给出该高速深V快艇静水阻力计算结果。结果表明：当计算域大小因子F21.3后，计算结果趋于稳定，因此确定计算域大小因子F=I.3。表1计算域大小对水动力计算结果影响序号放大因子模型总阻力Rn（kg.N）10.323.95420.623.4753123.11641.322.83351.622.8026222.7891.4网格收敛性分析采用系列变化网格数量的方法来研究网格数量对计算结果的影响。文中选择三套网格，采用空间三向加密的方法，即相邻两套网格在x,y,Z三个方向上的网格数之比为常数（加细比r=0）,三套网格数量分别为：60万、170万、480万，统一采用上文确定的计算域大小进行，三套网格示意图如下图2所示。图2三套网格示意图表2给出了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，综合考虑，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网格总数（万）模型总阻力Re（kg.N）计算时间（h）6023.4651.517022.8335.048022.78423.01.5湍流模型选取分析本文采用标准k-w、SSTk-w、标准k-£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SUPe1.bee形式，获得了不同的数值计算结果，具体见下表3。表3不同湍流模型数值计算结果与试验结果对比航速水池试数值计算结果Rm偏差/%Vs(Kn)验值Rm(kg.N),(kg.N)k-wSST,k-wk-k-wSSTk-wk-9.716.5618.5017.5418.7411.71%5.92%13.16%13.622.1523.1922.7323.484.70%2.62%6.00%17.524.5224.0923.6224.40-1.75%-3.67%-0.49%23.322.1023.7523.2924.067.47%5.38%8.87%2521.5123.2922.8323.598.28%6.14%9.67%27.220.8922.5522.1122.847.95%5.84%9.33%3020.5222.0221.5922.307.31%5.21%8.67%3320.4921.9621.5322.247.17%5.08%8.54%3520.6322.1321.7022.417.27%5.19%8.63%从表中可知，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SSTk-W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SSTk-W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SSTk-W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。2阻流板减阻机理分析2.1 阻流板外形方案确定本文以上文高速深V快艇为研究对象，将阻流板安装在主船体尾封板下沿，下图3为该阻流板外形及安装位置示意图。对阻流板尺寸进行初步设计，下表4为阻流板尺寸参数。表4阻流板外形尺寸参数阻流板符号单位尺寸长度Wmm450高度（可伸出长度）Hmm100厚度Tmm50长度/船宽W/B-0.1974高度/船宽H/B-0.04392.2 阻流板减阻效果阻流板减阻效果受到两个因素的影响：1.阻流板的伸出长度：2.快艇的航行速度。本文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17.5kn,对应体积傅氏数a>=l.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25kn,对应体积傅氏数&v=2.832o按照阻流板10%H伸出长度为一档分别进行计算，下表5和表6为航速Vs=17.5kn和Vs=25kn时阻流板不同伸出长度下模型阻力与运动姿态计算结果。Vs=25knVs=17.5knVs=17.5knVs=25kn图4阻流板不同伸出长度下模型总阻力曲线图IlXt图5阻流板不同伸出长度下模型总阻力系数曲线图由上图4可知，当航速VS=I7.5kn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机由上图5可知，当航速Vs:25kn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根据模型总阻力计算公式Rm=GMT?丫/“，在航行过程中艇体遭受的总阻力与总阻力系数、介质密度、航速以及湿面积有关，那么当介质密度和航速不变时，影响总阻力大小的因素就剩下总阻力系数CnI和湿面积Smo下文就从总阻力系数及湿面积两方面来对阻流板的减阻机理进行分析。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17.5kn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。下文考察典型航速17.5kn和25kn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6两典型航速下艇体两侧自由面兴波图上图6为典型航速下艇体两侧自由面兴波示意图，由图可知，阻流板的安装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。Vs-25kn图7两典型航速下艇体两侧自由面兴波图上图7为典型航速下艇体压力分布，由图可知，艇尾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。结合上表中的计算结果，经分析得出如下结论：阻流板的安装可以有效改善艇体兴波阻力，但是将引起艇尾部压差阻力的增大，由于兴波阻力的减小值较压差阻力的增大值要大，因此总阻力依然得到降低。下图8为典型航速下模型纵倾角及湿面积随阻流板伸出长度变化曲线图。图8两典型航速下纵倾角及湿面积随阻流板伸出长度变化曲线由上图可知，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，艇体脑部浸湿面积就越大。综上所述，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，当航速Vs=17.5kn时，最大减阻1