1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室朱兆一林少芬支文崢陳清林蔡應(yīng)強(qiáng)

壓浪板對(duì)波浪中游艇航行的影響

1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室朱兆一1，2林少芬1，2支文崢1，2陳清林1，2蔡應(yīng)強(qiáng)1，2

通過(guò)建立數(shù)值拖曳水池，采用數(shù)值造波技術(shù)對(duì)游艇的迎浪航行進(jìn)行仿真，并通過(guò)對(duì)裸艇體和帶壓浪板艇體在波浪中航行受力與運(yùn)動(dòng)的對(duì)比，研究安裝壓浪板對(duì)游艇的阻力、垂蕩、縱搖的周期和幅度等方面的影響。

游艇 數(shù)值水池 壓浪板 波浪

0 引言

近年來(lái)，作為一種水上娛樂(lè)高級(jí)耐用消費(fèi)品，游艇得到了迅速發(fā)展，人們對(duì)其快速性、舒適性等指標(biāo)要求日趨嚴(yán)格[1]。游艇在波浪中航行時(shí)，激烈的縱搖將會(huì)造成螺旋槳露出水面發(fā)生飛車現(xiàn)象，并且“海豚運(yùn)動(dòng)”造成的艇底抨擊容易產(chǎn)生材料疲勞破壞而致結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致機(jī)械和儀表失靈甚至艇毀人亡的事故[2]。壓浪板具有調(diào)節(jié)艇航行縱搖、改善航行阻力的作用，目前無(wú)論是采用水池試驗(yàn)還是理論推導(dǎo)，主要是研究靜水中壓浪板對(duì)艇性能的影響，針對(duì)于波浪載荷下壓浪板的作用效果研究還十分少見(jiàn)[3-5]。本文借助數(shù)值水池技術(shù)，研究壓浪板的作用角度對(duì)游艇阻力、垂蕩和縱搖周期、幅度等方面的影響。

1 數(shù)值造波技術(shù)

邊界造波是數(shù)值水池試驗(yàn)中常用的造波技術(shù)，其方法是直接控制計(jì)算域的一部分邊界（通常為入口邊界）作為擾動(dòng)源，在邊界上布設(shè)波升和速度擾動(dòng)量生成波浪。在有限水深中，入射波的速度勢(shì)?在固定坐標(biāo)系下可表示為[6]：

其中，C0為系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中，ξ表示波幅，m；k表示波數(shù)；H表示水深，m；ω0表示波的自然頻率，s-1。波面方程為：

式中，η為自由面在平均水面以上的垂直距離，m。

2 波浪數(shù)值水池的建立

本文研究的對(duì)象為一艘國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)、制造的75尺游艇的水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ停５暮剿俜秶?.602～5.127m/s。本文采用STAR CCM+為CFD求解軟件，用于計(jì)算域的設(shè)置、網(wǎng)格劃分、計(jì)算求解及后處理等工作，并采用了DFBI運(yùn)動(dòng)模型和重疊網(wǎng)格技術(shù)，釋放游艇垂向位移、橫向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以實(shí)現(xiàn)游艇航行姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)整[7-8]。采取切割六面體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格數(shù)約為290萬(wàn)，拖曳數(shù)值水池的計(jì)算域及邊界條件見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算域及邊界條件示意圖

數(shù)值波浪水池是在數(shù)值拖曳水池的基礎(chǔ)上，通過(guò)邊界造波技術(shù)制造VOF規(guī)則深水波，根據(jù)本游艇的建造級(jí)別，最大波高設(shè)置為0.194m，相當(dāng)于實(shí)際波高為2m；波長(zhǎng)為1.828m，等于游艇設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)；來(lái)流速度為4.165m/s，對(duì)應(yīng)該艇的設(shè)計(jì)最高航速，建立好的波浪數(shù)值水池在初始時(shí)刻的水汽分布如圖2所示。

圖2 數(shù)值波浪水池初始時(shí)刻水汽分布

3 游艇迎浪航行的數(shù)值模擬

在數(shù)值波浪水池中，游艇的阻力、縱傾、重心垂向位移隨時(shí)間的變化情況分別見(jiàn)圖3、圖4、圖5，游艇在波浪中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及繞流情況如圖6所示。當(dāng)計(jì)算物理時(shí)間超過(guò)1s后，游艇的航行阻力和縱傾均呈周期性變化趨勢(shì)，變化周期約為0.307s，阻力波峰領(lǐng)先垂向位移波峰0.30個(gè)周期，領(lǐng)先縱傾波峰0.48個(gè)周期。航行阻力的峰值約為376N（圖中顯示阻力結(jié)果為整船阻力值的一半），一個(gè)周期內(nèi)的阻力平均值約為97N，與在靜水中航行時(shí)相比，阻力增加了35%。游艇的最大縱傾為6.2°，最小縱傾為2.5°，縱搖幅度為3.7°。航行中重心位置的升沉變化幅度約為0.023m。

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算阻力結(jié)果

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算縱傾結(jié)果

圖5 數(shù)值模擬計(jì)算重心垂向位移結(jié)果

圖6 數(shù)值波浪水池中的游艇

4 帶壓浪板游艇迎浪航行的數(shù)值模擬及分析

本文分別模擬了裸體艇、帶0°壓浪板、帶10°壓浪板和帶20°壓浪板的游艇在浪高為0.194m的數(shù)值波浪水池中航行時(shí)歷經(jīng)一個(gè)周期的情況。

4.1 壓浪板對(duì)波浪中航行游艇阻力的影響

安裝壓浪板后，游艇的阻力峰值大小變化不大，始終在180N到200N之間，壓浪板安裝角度為0°、10°和20°時(shí)，航行阻力的平均值分別為96N、101N和114N，當(dāng)安裝角度為0°時(shí)，平均阻力減小1%，而當(dāng)安裝角度為10°和20°時(shí)，平均阻力增加4.1%和17.5%，然而這種周期性運(yùn)動(dòng)反而避免了艇體長(zhǎng)時(shí)間處于艏傾狀態(tài)，從而降低了“埋首”現(xiàn)象對(duì)阻力性能的不良影響。圖7為裸艇體阻力變化，圖8為當(dāng)壓浪板角度為10°時(shí)游艇阻力的變化。

圖7 裸艇體阻力變化

圖8 帶壓浪板游艇阻力變化 (α=10°)

4.2 壓浪板對(duì)波浪中航行游艇姿態(tài)的影響

安裝壓浪板后，壓浪板安裝角度為0°、10°和20°時(shí)，游艇航行時(shí)的最大縱傾角分別為5.7°、3.4°和1.4°，縱搖幅度分別為3.5°、3.1°和2.8°，航行最大縱傾角度較裸艇體情況分別降低了9.5%、46.0%和77.8%，縱搖幅度較裸艇體情況分別降低了5.4%、16.2%和24.3%。圖9為裸艇體縱傾變化，圖10為當(dāng)壓浪板角度為10°時(shí)游艇縱傾的變化。

圖9 裸艇體縱傾

圖10 帶壓浪板游艇縱傾變化 (α=10°)

安裝壓浪板后，壓浪板安裝角度分別為0°、10°和20°時(shí)，游艇在波浪中垂蕩運(yùn)動(dòng)在重心位置的幅值分別為0.023m、0.019m和0.02m。與裸艇體相比，幅值分別降低了0%，17.4%和13.0%。安裝壓浪板后，當(dāng)壓浪板安裝角度分別為0°、10°和20°時(shí)，游艇重心位置向上的加速度最大值分別為13.0m/s2、9m/s2和6.3m/s2，相對(duì)于裸艇體情況分別下降了3.7%、33.3%和53.3%；游艇重心位置垂向向下的加速度最大值分別為6.0 m/s2、4.0 m/s2和3.1 m/s2，相對(duì)于裸艇體情況，分別減小了6.3%、37.5%和51.6%。

圖11 裸艇體重心位移變化

圖12 帶壓浪板游艇重心位移變化 (α=10°)

4.3 壓浪板的減搖效果與波長(zhǎng)的關(guān)系

減小縱搖幅度是壓浪板對(duì)游艇在波浪中姿態(tài)調(diào)整作用的重要方面，為便于進(jìn)一步研究在不同海況下，壓浪板的減搖效果，本文分別對(duì)不同波長(zhǎng)下游艇安裝壓浪板前后在波浪中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬，波長(zhǎng)范圍為0.5L～2.5L（L為艇體設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)）。計(jì)算所得壓浪板的減搖效果曲線如圖13所示。由圖可以看出，當(dāng)波長(zhǎng)小于艇長(zhǎng)的一半時(shí)，壓浪板無(wú)明顯減搖效果，而當(dāng)波長(zhǎng)接近艇長(zhǎng)的2倍時(shí)，壓浪板的減搖效果最明顯，約能使縱搖幅度降低20%。

圖13 壓浪板減搖效果隨波長(zhǎng)變化曲線

5 結(jié)論

本文以實(shí)艇模型為例，進(jìn)行了游艇在波浪中航行的數(shù)值仿真，主要分析安裝壓浪板前后游艇的阻力、縱搖、垂蕩運(yùn)動(dòng)的變化。結(jié)果表明，當(dāng)游艇迎浪航行時(shí)，安裝壓浪板對(duì)游艇航行的縱搖、垂蕩運(yùn)動(dòng)有降低其幅值的作用，并能降低垂蕩過(guò)程中艇體的垂向加速度，但同時(shí)會(huì)增加游艇航行的阻力。壓浪板的減搖效果與波長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)波長(zhǎng)接近艇長(zhǎng)的2倍時(shí)，減搖效果最佳，可降低20%的縱搖。

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