高速滑行艇喷溅阻力初步研究

2 计算模型
2.1 计算模型和网格划分
根据试验艇型，采用 Maxsurf 软件进行 三维建模， 导入 Gambit 软件进行网格划分。 计算模型的网格划分采用分区混合网格系 统，并在艇体附近进行网格加密，其中艇体 附近的球形和正方体网格区域用于保证艇体 作纵摇及升沉运动时的网格质量。图 1 为计 算模型及网格划分示意图，其中上部分为空 气域，下部分为水域。水域为 10L 4L 3L ， 空气域 10L 4L 1.5L ， L 为艇长。计算区域 底部为固壁无滑移边界条件，左侧、上边界 与两侧壁为速度入口，右边界为压力出口。
滑行艇模型的主要参数见表 1。
(a) 计算控制域
(b) 局部网格划分 Fig.1 Calculation control zone and grid partition of three-dimensional Tab.1 Principal dimensions of planing craft 主尺度 总长 L/m 总宽 B/m 吃水 d/m 重心 lg/m 艇重量 m/kg 斜升角 β/(° ) 参数 2.75 0.78 0.17 1.048 125.4 24.65
Ssoak Ssoaki
i 1 n
Fig. 2 The wetted bottom area of the hull and spray area when planning
式中： n ：浸湿面所包含的网格节点数目； mm ：滑行面所包含的网格节点数目； Psoaki ：浸湿面第 i 个网格节点中心包含的动 压值； Pslidej ：滑行面第 j 个网格节点中心包含的动 压值；
i 1
n
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Pspray ：喷溅区平均动压；
Vspray ：喷溅区平均流速；
滑行面的面积(驻线以下的艇体湿表面积)及 平均动压：
Sslide Sslidej
j 1 mm
Rspray ：喷溅阻力；
Cf ：喷溅区摩擦阻力系数；
/ ：运动粘度。
(6) (7)
3 计算结果与分析
从水动力学的观点出发，若船舶的体积 傅汝德数 Fr▽≥1.0 则属于高速船，其中包括 高速排水型船舶和动力增升型船舶。对于 1.0<Fr▽<3.0 速度区间的高速排水型船舶， 在
Abstract: Based on the computational fluid dynamics software FLUENT, the coupling of solving
planing craft longitudinal motion prediction procedure, and carry out three dimension slide in the uniform model planing craft to flow movement in the numerical simulation of the response. Given the different volume Froude planing craft at Fr▽= 0.9、1.8、2.7、3.6、5.0 , planing craft under the calculation and analysis of spray resistance. The results show that, with the increasing speed, spray resistance increases, and spray resistance than the rise about 0.05%, the most about 2.7%. For planing craft spray resistance calculation provide an effective method. Key words: high-speed planing craft, exercise response, splash resistance
Pslide
1 Sslide
P
j 1
mm
slidej slidej
S
Pspray
P S P S soak soak slide silde Sspray
(8)
其支持力中起主要作用的是静浮力；而对于 Fr▽≥3.0 的流体动力增升型船舶来说，其支 持力起主要作用的是流体动升力。高速的流 体作用于艇体表面，在水气交界面处产生剧 烈的喷溅现象，喷溅对航行中的高速船的影 响不容忽视。
1
引
言
滑行艇的流体动力特性研究早在上世纪 60 年代就引起了众多学者的关注,并且在滑 行艇阻力性能预报方面取得了显著的研究成 果[1-5]， 提出了一系列滑行艇阻力计算的经验 或半经验公式。近年来以实时求解雷诺时均 方程 RANS 为目标的现代 CFD 技术被应用 到水面高速艇流体动力性能的精确预报， R.Panahi[6]基于有限体积方法研究了高速艇 的运动特性，其中压力与速度的耦合采用分 裂算法，水气交界面的模拟采用 VOF 方法， 采用贴体网格系统数值计算了定常直航时流 体作用在高速艇上的力和力矩以及 6 自由度 运动响应，给出了高速艇的运动速度、加速 度及其位置，通过与试验结果的对比表明， 基于数值求解 RANS 方程的数值方法可用于
较好。Hui Sun and Odd M. F[11]利用 2D+t 理 论及完全非线性边界元方法数值计算了滑行 艇的附加质量、阻尼系数及恢复力系数，给 出了滑行艇水动力及运动特性的非线性时域 模拟，表明艇体水动力系数、纵摇幅值以及 重心高度对于滑行艇的运动响应产生显著影 响。 哈尔滨工程大学的王兆立等[12]利用商 用软件 FLUENT 数值模拟了滑行艇在静水 中的直航运动，给出了滑行艇阻力随航行速 度的变化曲线，探讨了滑行艇底部的压力分 布及尾流场；高双，朱齐丹等[13]建立了高速 滑行艇 6 自由度运动方程， 利用 Matlab 软件 开展了滑行艇的运动与姿态控制的仿真预报 研究。 本文基于 C 语言编写了滑行艇升沉纵摇 耦合运动预报用户自定义程序，采用预测/ 修正法求解运动方程，将求解方程嵌入到 FLUENT 软件中，对 5 种不同体积傅汝德数 Fr▽=0.9、1.8、2.7、3.6、5.0 条件下滑行艇 的纵摇与升沉耦合运动特性进行研究。在计 算过程中为保证当艇体产生大位移运动时的 网格质量，采用弹簧法和局部重构联合作用 的动网格技术，同时控制艇体表面及外部网 格的生长速度和尺度； 同时为保证计算精度， 对网格重构的时间步长进行了合理的控制。 为了研究滑行艇的喷溅阻力，编写了喷溅阻 力后处理软件， 对 CFD 模拟的数据开展进一 步的分析处理。
2.2 数值计算方法
本文采用三维非定常分离隐式求解器； 利用 VOF 方法追踪自由液面；自由面重构 格式采用 Geo-Reconstruct 格式；选用 k-ε 湍 流模型；控制方程的扩散项采用中心差分格 式离散；对流项采用二阶迎风格式；压力方
程采用 Body Force Weighted 格式； 压力速度 耦合求解采用 PISO 算法，动网格采用弹性 光顺法和局部重构，弹性常数参数设为默认 值，局部重构，最大网格扭曲率(Maximum Cell Skewness)设为 0.85，Size Remesh Interval 设为 5；启动 Size Function 函数，调整 尺寸函数变化率 β(Size function rate)为 1.5， 控制边界处网格和内部网格的生长速度。
指导高速艇的流体动力设计及运动性能预 报。美国爱荷华大学的 R.V. Wilson 和 P. M. Carrica 教授[7-9]利用非定常 RANS 方法编制 了水面舰艇 6 自由度运动响应预报程序 CF DSHIP- IOWA，求解器采用高阶上风离散格 式、PISO 压力速度耦合方法 k-ε/k-ω 两方程 湍流模型，其中自由表面追踪技术分别采用 VOF 方法和 Level Set 方法,数值预报了水面 舰艇在多种航行状态下的自由面绕流场及其 运动响应特性，结果优于传统的线性切片理 论，同时指出水面波形破碎是引起船舶非线 性流体动力载荷的主要原因。 边界元方法[10]也被用于滑行艇模型的 水动力性能数值预报，通过开展滑行平板、 楔形体、底部斜升体等三种滑行艇模型的计 算分析，探讨了不同航速下的压力分布、阻 力、升力及波形，与相关试验结果的吻合度
Ssoaki ：浸湿面第 i 个网格所覆盖的表面积；
Sslidej ：浸湿面第 j 个网格所覆盖的表面积；
Sslide ：滑行面面积； Ssoak ：浸湿面面积；
Sspray ：喷溅区面积；
Pslide ：滑行面平均动压； Psoak ：浸湿面平均动压；
(4) (5)
Psoak
1 Ssoak
Psoaki Ssoaki
高速滑行艇喷溅阻力初步研究
凌宏杰 王志东 李鑫 窦京 陈剑文 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003 摘 要：基于计算流体力学软件 FLUENT，编制了耦合求解滑行艇纵向运动预报程序，开展了三维滑行 艇模型在均匀来流中运动响应的数值模拟。给出了滑行艇在不同体积傅鲁德数 Fr▽=0.9、1.8、2.7、3.6、5.0 下滑行艇喷溅阻力的计算与分析。结果表明：随着航速不断增加，喷溅阻力不断增加，喷溅阻升比最小约 占 0.05%，最大约占 2.7%。为滑行艇喷溅阻力计算提供了一种有效的方法。 关键词：高速滑行艇、喷溅阻力
The Preliminary Research of Spray Resistance on High Speed Planing Craft
Ling Hongjie Wang Zhidong Li Xin Dou jing Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, ZhenJiang, 212003, china
(c) V=6m/s
3.1 滑行艇喷溅区分布规律
计算工况与哈尔滨工程大学的滑行艇模 型试验工况一致，分别计算了航速 V=2m/s、 4m/s 、6m/s、8m/s、11m/s；对应的体积傅 汝德数 Fr▽=0.9、1.8、2.7、3.6、5.0。计算 结果表明：当 V=11m/s 时，滑行艇出现“海 豚运动” ，在此不作深入研究。 图 3 给出了不同航速下滑行艇喷溅区动 压分布云图，由于艇体表面非结构网格分割 引起喷溅区的边线出现锯齿状。从图中 4 可 以看出，当 V≤4m/s 时，喷溅出现在艇艏部 且面积较小，以须状喷溅为主；随着航速提 升，喷溅越来越明显，当 V≥6m/s 时，喷溅 出现在艇艏部和舷侧部分且面积增加，同时 存在主喷溅区和须状喷溅区。
Sspray Ssoak Ssilde
2 Pspray
(9)
Vspray
Rspray

(10)
1 2 Cf SsprayVspray Pspray Sspray Cf 2
(11)
2.3 喷溅阻力计算方法
由图 2 可以看出，艇体浸湿面面积被分 为两个区域。驻线 OE 到艇尾部区域被称为 压力面 Ap， 它由浸湿龙骨线长 Lk、 浸湿舭缘 线长 Lc、艇浸湿宽度 b 及驻线 OE 围成；喷 溅面 As，它由驻线 OE、喷溅区前缘线 OF 边线 EF 组成，由于喷溅区边线像猫的胡须， 因此称为 “须状喷溅” 。 滑行艇进入滑行状态 时，整个艇体的重力主要由滑行平面产生的 动升力提供，从而导致滑行平面处于动压高 压区，喷溅区水流沿艇体流动且速度明显下 降，因此喷溅对动升力的贡献很微弱可以忽 略不计，然后水流与艇体之间产生的摩擦阻 力却是不可忽略。 据美国 Davidson 试验室公 布的数据知，喷溅区的摩擦阻力约占整个艇 体摩擦总阻力 15%。 基于计算流体力学软件 FLUENT，开展 高速滑行艇喷溅阻力计算方法初步研究。滑 行艇航行的三维数值模拟完成后， 将 case 和 data 文件导入后处理软件 Tecplot360 通过艇 体表面网格中心点包含的信息，积分处理后 得出下列相关参数。 浸湿面的面积及平均动压：