王 陸，歐勇鵬，葉 青

（1.91404部隊(duì)91分隊(duì)，河北秦皇島066000；2.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，武漢430033）

0 引 言

平底型高速交通運(yùn)輸艇由于具有吃水淺、機(jī)動(dòng)靈活和裝載性能好等特點(diǎn)，被越來越多的船舶使用者所青睞[1]。不過在阻力方面，平底船型尾部構(gòu)型較寬，不但增加了船型阻力，還使得船體的重心后移，增大了縱傾角度，使阻力進(jìn)一步增大。而對(duì)于交通運(yùn)輸艇來說，良好的快速性意味著更高的工作效率以及經(jīng)濟(jì)效益。因此，找到一種能夠在保留該艇型原有優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上達(dá)到減阻提速效果的策略十分重要。

船體尾插板是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在盡可能保留原有船型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，使船體達(dá)到減阻增速的方法。目前，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)船體加裝尾插板后的阻力特性及減阻機(jī)理進(jìn)行了研究，潘柏衡等[2]對(duì)安裝尾插板的滑行艇進(jìn)行了研究，取得了10%的減阻效果；周廣禮等[3]為排水型船設(shè)計(jì)了可動(dòng)尾插板，研究了不同航速下通過調(diào)整尾插板下反角來達(dá)到較好的減阻減搖效果；Day[4]等通過分析尾插板流場(chǎng)變化、升沉和縱搖，研究了游艇加裝尾插板的減阻機(jī)理。

針對(duì)平底型高速交通運(yùn)輸艇加裝不同尺寸的尾插板，本文采用CFD與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，得到加裝尾插板后運(yùn)輸艇的阻力、姿態(tài)等各項(xiàng)參數(shù)。通過對(duì)阻力構(gòu)成、姿態(tài)變化、流場(chǎng)變化等現(xiàn)象的分析，評(píng)估艇體加裝尾插板的減阻效果，并探究尾插板的減阻機(jī)理。

1 數(shù)值計(jì)算方法與結(jié)果

1.1 研究對(duì)象

本文以一條平底型高速交通艇模型為研究對(duì)象，模型的主尺度參數(shù)見表1，三維視圖見圖1。表1 中，Δ 為排水量，L 為艇體總長(zhǎng)，LP為折角線長(zhǎng)，BPX為折角線最大寬度，βM為中部艇底斜升角，βT為尾部艇底斜升角。靜止正浮狀態(tài)下，船模的初始縱傾角為0°，重心距離船中為-11.05%L（舯后），船舯距離尾封板尾1.282 m。

表1 模型的主尺度參數(shù)Tab.1 Main particulars of hull model

圖1 計(jì)算船模的三維圖Fig.1 3-D hull model for calculation

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

本文自由液面的計(jì)算采用HRIC-VOF 模型[5-7],湍流模型則采用Realizable k - ε 模型[8-9]。圖2 給出了數(shù)值模擬的計(jì)算域、網(wǎng)格分布和劃分及邊界條件設(shè)置。數(shù)值水池為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)8.0L、寬2.5L、高5.0L，上表面距離艇體上甲板為2.0L，設(shè)置為速度入口；下表面距離艇底部為2.8L，設(shè)置為速度入口；側(cè)面距離中縱剖面為2.5L，設(shè)置為速度入口；中縱剖面均設(shè)置為對(duì)稱面；入口距離艇體首部向前2.0L，設(shè)置為速度入口；出口距離艇尾向后5.0L，設(shè)置為壓力出口，壓力沿深度方向按靜水壓力線性變化；數(shù)值水池沿水線面將分為上下兩部分，上部分為空氣，下部分為水。水的密度取997.56 kg/m3，動(dòng)力粘性系數(shù)為8.887 1×10-4Pa·s；空氣密度為1.184 15 kg/m3，動(dòng)力粘性系數(shù)為1.855 08×10-5Pa·s。

圖2 流域網(wǎng)格及邊界條件Fig.2 Calculation region and boundary condition

網(wǎng)格劃分采用切割型網(wǎng)格，在艇體、自由面、尾插板附近均進(jìn)行了網(wǎng)格加密，如圖3所示。

圖3 艇體表面及附近的網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshes of calculation region

圖3（a）顯示了艇體表面及自由液面的網(wǎng)格布局情況，圖3（b）顯示了艇體加裝尾插板后的尾插板加密區(qū)。光體計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為290 萬，加裝尾插板模型計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為300 萬。采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間為一階格式，步長(zhǎng)取為0.002 s。

1.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)模型艇數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。模型艇光體狀態(tài)下阻力、縱傾角、重心升沉的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。其中Rt表示總阻力，單位N；FV表示容積傅汝德數(shù)。

表2 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)值的偏差分析Tab.2 Difference between numerical values and experimental values

通過表2可以知道，總阻力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值偏差最大為5.6%，大部分偏差小于3%；縱傾角偏差小于0.38°，大部分偏差小于0.2°；重心升沉偏差最大為4.25 mm，大部分航速下偏差小于1 mm。可見，在航速FV=0.74～2.78內(nèi)，本文采用的數(shù)值計(jì)算方法能夠得到模型艇精度較高的總阻力、縱傾角和重心升沉，可用于該模型艇后續(xù)開展的各項(xiàng)數(shù)值計(jì)算。

2 平底型高速交通運(yùn)輸艇加裝尾插板阻力特性分析

2.1 尾插板對(duì)阻力的影響

圖4為加裝尾插板后艇體模型示意圖。尾插板沿著尾部封板向下延伸，在數(shù)值計(jì)算階段，本文選取了延伸長(zhǎng)度距離船底5 mm的尺寸。

圖4 艇體加裝尾插板示意圖Fig.4 Installation sketch map of stern insert plate

圖5 給出了通過數(shù)值計(jì)算得到的光體與安裝尾插板狀態(tài)下總阻力的對(duì)比，其中w 為排水量，單位N；Rt/w表示模型艇總阻力的單位排水量力。表3為部分航速下總阻力計(jì)算結(jié)果的具體對(duì)比。

圖5 光體與加裝尾插板總阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of numerical results of Rt between bare hull and model with stern insert plate

表3 光體與加裝尾插板數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of numerical results of Rt between bare hull and model with stern insert plate

從圖5 與表3 可以看出，艇體加裝5 mm 尾插板后在航速Fv=1.11～2.17 的范圍內(nèi)都產(chǎn)生了比較明顯的減阻效果，減阻率大部分大于20%，最大可達(dá)到32.99%。但是在低速時(shí)，加裝尾插板出現(xiàn)了小量的增阻情況。

2.2 阻力特性分析

為進(jìn)一步了解不同狀態(tài)下艇體的阻力構(gòu)成，圖6和圖7分別給出了不同狀態(tài)下艇體摩擦阻力Rf與壓阻力Rp的對(duì)比。從圖6 可以看出，在航速Fv=0.99～2.17 的范圍內(nèi)，艇體加裝尾插板后對(duì)摩擦阻力的影響并不大，總阻力的變化受摩擦阻力的影響不大。從圖7 可以看出，在相同速度范圍內(nèi)，加裝尾插板后運(yùn)輸艇的壓阻力呈明顯的下降趨勢(shì)，且壓阻力變化趨勢(shì)與圖5中總阻力變化趨勢(shì)大致相同。

圖6 光體與加裝尾插板艇體摩擦阻力對(duì)比Fig.6 Comparison of numerical results of Rf between bare hull and model with stern insert plate

圖7 光體與加裝尾插板艇體壓阻力對(duì)比Fig.7 Comparison of numerical results of Rp between bare hull and model with stern insert plate

由此可知，加裝尾插板后艇體總阻力的變化主要受到壓阻力變化的影響，而壓阻力主要是由興波阻力Rw與粘壓阻力Rpv構(gòu)成。因此，在進(jìn)行減阻機(jī)理分析時(shí)，應(yīng)著重分析造成運(yùn)輸艇興波阻力與粘壓阻力產(chǎn)生變化的原因。

3 平底型高速交通運(yùn)輸艇加裝尾插板減阻機(jī)理分析

3.1 艇體興波分析

興波阻力產(chǎn)生的原因是艇體在航行時(shí)興起了重力波，降低波幅可以有效減少興波阻力。圖8 為航速Fv=2.17時(shí)艇體舷側(cè)興波波形波高h(yuǎn)的對(duì)比，Xh為所測(cè)波形點(diǎn)與艇首部的縱向距離，單位為m。在進(jìn)行對(duì)比時(shí)，選取與船舯距離Yz/Bpx為0.87和1.74處的波形，具體位置如圖9所示。

圖8 Fv=2.17 時(shí)艇體舷側(cè)興波波形對(duì)比Fig.8 Comparison of hull side waveforms(Fv=2.17)

圖9 艇體舷側(cè)興波波形對(duì)比位置示意圖Fig.9 Diagram of contrastive position of hull side waveform

從圖9可以看到，艇體加裝尾插板后，舷側(cè)興波波幅有明顯下降，從而減小了艇體的興波阻力。

圖10為部分航速下兩種狀態(tài)艇體尾部興波高度隨船長(zhǎng)方向的對(duì)比，其中haft-w表示尾部興波高度，單位為m；X表示到船尾的縱向距離，單位為m。

圖10 部分航速下光體與加裝尾插板艇體尾部興波高度對(duì)比Fig.10 Comparison of aft wave-making heights between bare hull and model with stern insert plate

從圖10可以看出，加裝尾插板后艇體尾部興波的波幅有明顯下降，特別在X/L>1.0的范圍內(nèi)幾乎沒有興波，這進(jìn)一步減小了艇體的興波阻力。

3.2 艇底壓力分析

粘壓阻力產(chǎn)生的原因是船首部與尾部之間存在壓力差，因此可以通過減小壓力差來減小粘壓阻力。圖11為Fv=2.17時(shí)兩種狀態(tài)下艇體底部壓力分布圖，單位為Pa。

圖11 Fv=2.17時(shí)光體與加裝尾插板艇底壓力分布Fig.11 Bottom pressure distribution of bare hull and model with stern insert plate(Fv=2.17)

從圖11可以看出，加裝尾插板后，艇體尾部的壓力由166 Pa上升至3 000～4 000 Pa，而首部壓力由7 000～8 000 Pa下降至1 000～3 000 Pa，這一方面使得艇體首尾壓差有所降低，另一方面使得相對(duì)于船舯的抬首力矩減小。

3.3 艇體姿態(tài)分析

平底型高速交通運(yùn)輸艇由于平底船型在高速航行時(shí)容易產(chǎn)生較大的縱傾角度，導(dǎo)致阻力進(jìn)一步增大。圖12為兩種狀態(tài)下艇體縱傾角度對(duì)比。

從圖12可以看出，在Fv=0.99～2.17的范圍內(nèi)，當(dāng)艇體為光體狀態(tài)時(shí)，抬首現(xiàn)象嚴(yán)重，縱傾角較大；在加裝尾插板后，抬首現(xiàn)象得到明顯改善。因此，尾插板也可以通過調(diào)整模型艇的航行姿態(tài)來達(dá)到減阻的效果。

圖12 光體與加裝尾插板艇體縱傾對(duì)比Fig.12 Comparison of trims between bare hull and model with stern insert plate

4 模型試驗(yàn)

為進(jìn)一步探究不同尾插板長(zhǎng)度對(duì)減阻效果的影響，在中國(guó)特種飛行器研究所高速拖曳水池中進(jìn)行了模型試驗(yàn)，該水池長(zhǎng)510 m，寬6.5 m，水深5 m。拖車最高速度為22 m/s。在本實(shí)驗(yàn)中，阻力的測(cè)量采用BLR-1 型拉力傳感器，量程為0～40 kg，精度為0.2%?？v傾角的測(cè)量采用傾角儀，精度為0.1°。升沉采用拉線式方法測(cè)量，誤差小于1%。在進(jìn)行尾插板阻力試驗(yàn)時(shí)，尾插板伸出長(zhǎng)度為5 mm、10 mm和15 mm，厚度為3 mm。

4.1 數(shù)值計(jì)算方法的進(jìn)一步驗(yàn)證

通過模型試驗(yàn)，得到了模型艇光體狀態(tài)與加裝尾插板狀態(tài)下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。圖13為艇體加裝5 mm尾插板總阻力和縱傾角數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

圖13 加裝5 mm尾插板數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison between numerical results and experimental results of model with 5 mm stern insert plate

從圖中可以看出，加裝5 mm 尾插板后艇體的總阻力和縱傾角數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，從而進(jìn)一步說明了本文的數(shù)值計(jì)算與網(wǎng)格劃分方法能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算平底型高速交通運(yùn)輸艇加裝尾插板后的阻力與姿態(tài)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖14 為不同狀態(tài)下艇體總阻力與縱傾角試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，圖15 為不同狀態(tài)下艇體姿態(tài)的對(duì)比，表4為部分航速下總阻力試驗(yàn)結(jié)果的具體對(duì)比。

圖14 光體與加裝尾插板試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.14 Comparison of experimental results between bare hull and model with stern insert plate

圖15 Fv=2.17時(shí)光體與加裝尾插板艇體姿態(tài)對(duì)比Fig.15 Comparison of attitudes between bare hull and model with stern insert plate(Fv=2.17)

表4 光體與加裝尾插板試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of experimental results between bare hull and model with stern insert plate

從圖14（a）與表4可以看出，三種長(zhǎng)度的尾插板在航速Fv=1.11～2.46的范圍內(nèi)均保持減阻效果，最高可達(dá)42.59%，同時(shí)三種尾插板均出現(xiàn)了在某個(gè)速度下能達(dá)到最大減阻效果的情況，這個(gè)最佳減阻速度可能與船型、尾插板構(gòu)型等有關(guān)，可做進(jìn)一步研究分析。在航速Fv=0.49～0.98的范圍內(nèi)，由于模型艇速度較低，安裝尾插板后帶來的阻力增值無法被減小的壓阻力抵消，出現(xiàn)了增阻情況。從圖14（b）和圖15 可以看出，艇體加裝尾插板后，抬首現(xiàn)象得到明顯改善，且尾插板的伸出長(zhǎng)度越長(zhǎng)，改善效果越好。但是從圖14（b）還可以看出加裝15 mm 尾插板的艇體在速度Fv>2.16 時(shí)出現(xiàn)了埋首現(xiàn)象，這不利于運(yùn)輸艇的實(shí)際應(yīng)用。

圖16 為模型艇航速Fv=2.17 時(shí)，艇體不同狀態(tài)下的尾部興波。從圖16 可以看出艇體加裝尾插板后，尾部興波波幅明顯降低，且噴濺現(xiàn)象大大改善。通過對(duì)比還可以看出，該艇型加裝尾插板的伸出長(zhǎng)度越長(zhǎng)，降低尾部興波波幅的效果越好。

圖16 Fv=2.17時(shí)不同狀態(tài)下艇體尾部興波對(duì)比Fig.16 Comparison of hull aft waveforms under different conditions(Fv=2.17)

5 結(jié) 論

根據(jù)本文研究?jī)?nèi)容與結(jié)果，得到如下主要結(jié)論：

（1）平底型高速交通運(yùn)輸艇加裝尾插板后在航速較高時(shí)能夠產(chǎn)生較好的減阻效果，而當(dāng)航速過低時(shí)則會(huì)產(chǎn)生一定的增阻效果。

（2）該類艇加裝尾插板后能夠有效降低艇體的興波阻力和粘壓阻力，但是對(duì)摩擦阻力的影響不大。

（3）該類艇加裝尾插板后能夠有效地改善艇體抬首現(xiàn)象，但是當(dāng)航速較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)埋首現(xiàn)象，使減阻效果降低，不利于運(yùn)輸艇的實(shí)際使用。

由于該類艇航行時(shí)涉及的速度范圍較大，建議針對(duì)該艇型應(yīng)設(shè)計(jì)尺寸可調(diào)節(jié)的尾插板；在針對(duì)平底型交通運(yùn)輸艇進(jìn)行尾插板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮減阻效果、姿態(tài)影響等因素，選用尺寸適中的尾插板；建議應(yīng)針對(duì)該類艇加裝尾插板后在高航速下如何改善埋首的問題展開研究。