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(華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510640)

游艇阻力估算多數是通過統(tǒng)計現有的游艇資料獲得的經驗公式或經驗圖譜，或者使用基于細長體理論[1-2]的Maxsurf軟件[3]來完成游艇阻力預報。相比船模試驗，這些方法的計算效率更高。但不足之處在于不同經驗公式計算結果相差較大，準確性不定。不同類型的游艇所選用的阻力估算方法有所不同[4]。此前在船模試驗及理論方法分析中，大多選擇體積弗汝德數在0.6～2.8之間的過渡型艇及排水型艇置于同一組實驗進行測試。這里將過渡型游艇和排水型游艇的阻力估算方法歸為一類，稱為半滑行艇的阻力估算法。對于半滑行艇阻力的初步估算方法主要有大隅三彥中低速度域制動馬力圖譜估算法、NPL船體阻力估算方法、Omega游艇阻力估算方法和經驗公式法；對滑行艇阻力初步估算的方法主要有平板滑行理論阻力預估法、大隅三彥經驗圖譜法(小型動力艇)、大隅三彥經驗公式估算法及Angeli阻力估算方法[5]。目前常用的數值模擬方法主要有FULENT、XFlow及Maxsurf等軟件分析法。對游艇阻力數值計算，大多選擇FLUENT，但在模型網格的劃分和自由液面的捕捉方面存在不足。而XFlow軟件計算游艇阻力效率較高，對模型的要求比較低，并且相對容易處理自由液面[6]。因此,考慮選擇XFlow和Maxsurf軟件，分別對半滑行艇和滑行艇的阻力進行數值模擬。

針對單體游艇，選擇2艘不同類型的游艇，分別計算游艇阻力。對結果進行定量比較分析，從而確定出估算不同類型游艇的阻力比較準確的方法。

1 游艇模型簡介

選取的游艇動力艇的主尺度見表1。

表1 游艇模型的主尺度

2艘游艇數值模擬流體模型見圖1。

2 計算結果與分析

2.1 自由液面速度場的模擬與分析

通過XFlow軟件分別對半滑行艇及滑行艇自由液面速度場的變化進行數值模擬，半滑行艇在體積弗汝德數分別為1.3和3.1的工況下自由液面速度場的變化見圖2、3。

由圖2可見，當t=1 s時，自由液面速度較小，隨著時間的增加自由液面速度分布變化越來越明顯；當t=30 s時，在舷側和艉部產生大量速度場，自由液面速度分布逐漸擴散到整個計算區(qū)域。在30 s以后，液面變化不大，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在整個計算周期內自由液面速度場的分布關于半滑行艇的中縱剖面完全對稱。

由圖3可見，當t=1 s時，自由液面的速度較小，隨著時間的延續(xù)自由液面速度分布范圍逐漸擴大；當t=30 s時，在舷側和艉部產生大量速度場，自由液面速度分布逐漸擴散到整個計算區(qū)域。在30 s以后，速度場變化不大，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，并且在整個計算時間內速度場沿著滑行艇的中縱剖面對稱分布。

對比圖2和圖3關于半滑行艇和滑行艇的速度場的變化可知，任意時刻速度場的分布在游艇的左右舷都是相同的。當時間在由0 s逐漸增加到30 s，自由液面速度分布逐漸擴散到整個計算域，30 s以后速度場的變化趨于穩(wěn)定。游艇在自由液面的速度場隨時間的變化比較接近在實際工況下流場的分布。

2.2 自由液面渦流場的模擬與分析

運用XFlow軟件對半滑行艇及滑行艇自由液面渦流場的變化進行數值模擬，在體積弗汝德數分別為1.3和3.1時，半滑行艇渦流場變化見圖4、5。

由圖4可見，當t=1 s時，在半滑行艇2側以及艏部產生較小的漩渦，在游艇艉部產生的渦量較大；隨著時間增加，渦量分布范圍增大直到覆蓋到游艇艉部的計算域。當t=30 s時，自由液面渦流場的分布趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

從圖5可見，當t=1 s時，在游艇2側以及艏部產生較小的漩渦，在游艇艉部產生的渦量較大；當t=30 s時，游艇艉部產生渦量的區(qū)域變大，隨著時間增加，計算域里的渦量分布范圍增大，直至覆蓋整個區(qū)域，此后渦量分布趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

對比圖4和圖5，任意時刻渦流在游艇的左右舷的分布都是相同的。當時間由0逐漸增大到30 s，自由液面渦流場分布逐漸擴散到整個計算域，30 s以后渦流的變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 游艇在自由液面的波形的模擬與分析

通過Maxsurf軟件分別對半滑行和滑行艇的自由液面波形的變化進行模擬，見圖6。

由圖6可見，游艇在自由液面的波形沿游艇中縱剖面對稱分布，波形的變化主要發(fā)生在游艇艉部，波峰波谷變化明顯，逐漸散開向遠處傳播；半滑行艇及滑行艇波形對比表明，滑行艇在自由液面的波形變化更加明顯，滑行艇在游艇艉部波峰波谷的分布比半滑行艇更密集；游艇在自由液面的波形圖符合實艇在靜水中航行時波形的變化。

2.4 阻力數值模擬與分析

2.4.1 半滑行艇阻力的數值模擬與分析

運用XFlow軟件及Maxsurf軟件分別對半滑行艇在體積弗汝德數為0.8、1.3、1.8、2.3及2.8的工況進行模擬分析，并將數值模擬結果與圖譜法及經驗公式方法估算結果進行對比，見圖7。

由圖7可見，大隅三彥制動馬力圖譜法和XFlow軟件得出的阻力值在同一種工況下相對比較接近，阻力曲線趨勢相同，都是先下降后上升，符合半滑行艇在實際航行工況下的阻力隨體積弗汝德數的變化趨勢。Maxsurf軟件計算的結果在體積弗汝德數較小的時候與XFlow軟件得出的結果相差較大，但是隨著體積弗汝德數增加這2種方法計算的阻力越接近。NPL阻力估算法與Maxsurf軟件計算的阻力曲線趨勢相同，都是隨體積弗汝德數增加持續(xù)上升，但兩者計算得出的結果相差較大。而Omega估算法得到阻力曲線的變化趨勢是先上升后下降，這與實際半滑行艇的阻力隨弗汝德數的變化趨勢不相符。

從定性上分析， Maxsurf軟件得出的阻力隨體積弗汝德數的增加而增大；從定量上分析，當體積弗汝德數大于1.3以后，計算結果與XFlow軟件和大隅三彥圖譜計算的結果比較接近；但當體積弗汝德數較小時，Maxsurf軟件計算結果存在一定誤差。由于XFlow軟件計算游艇的阻力時所考慮的因素相比大隅三彥圖譜來說，在理論上更加全面，因此其最終結果在后期高速時相對大隅三彥計算阻力的結果數值偏高，但總體符合半滑行艇阻力隨體積弗汝德數變化的實際趨勢。

2.4.2 滑行艇阻力的數值模擬與分析

運用XFlow軟件及Maxsurf軟件分別對滑行艇在體積弗汝德數為3.1～4.0(間隔0.1)時進行模擬分析，并將數值模擬結果與圖譜法及經驗公式方法估算結果進行對比，結果見圖8。

從圖8可以看出，幾種方法計算滑行艇阻力的結果都不相同。XFlow軟件和Maxsurf軟件計算的結果比較接近，均大于大隅三彥經驗公式和經驗圖譜結果。這4條曲線走勢相同均是隨體積弗汝德數增加而上升。平板滑行理論得出的阻力曲線隨體積弗汝德數增大而下降，Angeli經驗公式得出的阻力隨弗汝德數的增加幾乎趨近于一個常數，這2種方法得出的阻力均與實際滑行艇阻力隨弗汝德數的變化趨勢不相符。

定量分析，Maxsurf和XFlow軟件得出的阻力結果比較接近且均大于大隅三彥經驗公式和圖譜計算結果，隨著體積弗汝德數增加，軟件與經驗公式得到的阻力相差越大。這是因為隨著航速的增加，游艇艇底開始抬出水面，艇本身的重力主要由游艇的升力來提供，隨著航行縱傾角的增大，游艇本身受到的興波阻力也會增加，總阻力會隨著航速的增加而不斷增加。

3 結論

1)對于半滑行艇的阻力預報，大隅三彥圖譜法和XFlow軟件得出的結果比較接近，當體積弗汝德數大于1.3以后，運用Maxsurf軟件估算半滑行艇阻力得到的結果與XFlow計算結果相符合；估算滑行艇的阻力，大隅三彥經驗公式的計算結果與數值方法比較接近，可以對滑行艇阻力進行初步估算。

2)數值模擬時，游艇在自由液面速度場、渦流場和波形圖的分布關于游艇中縱剖面對稱，且隨時間的增加趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這也與游艇在實際工況下航行時液面的速度場、渦流場和波形的變化一致。

3)在以后的研究中，可以通過考慮船模試驗分別計算66 ft半滑行艇和25 ft滑行艇在不同弗汝德數工況下的阻力，并與本文數值模擬結果對比分析，更進一步驗證XFlow軟件預報游艇阻力的準確性，確定誤差范圍。同時，NPL阻力估算法、Omega估算法、平板滑行理論和Angeli經驗公式這4種方法估算游艇阻力的結果也需要進一步與船模試驗的結果進行比較，以驗證其可靠性。