高速滑行艇静水中纵向运动尾流特性的数值分析凌宏杰;王志东;王芳【摘要】Based on computational fluid dynamics softwareFINE/MARINE,calling its six-degree-of-freedom motion response module,a real-time numerical prediction of three-degree-of-freedom longitudinal motion response of the 3D planning craft model sailing on calm water was presented.The relationship between speed,the hydrodynamic characteristic and motion response characteristic of the planning craft was analyzed under 14 working conditions with speed varying from 2m/s to 15m/s.The results are in good agreement with the experimental data.Quantitative analysis was completed of the relationship between speed and Kelvin angle of the tail pressure wave,length and depth of the hole in the stern,fluid and boat tail separation point.It provides an effective method for real-time numerical prediction and flow field analysis of planing craft motion response.%基于计算流体力学软件FINE/MARINE,利用其六自由度运动响应模块,开展了三维滑行艇模型在静水中航行纵向三自由度运动响应的实时数值预报.完成了航速v=2~15 m/s共计14种工况下滑行艇水动力特性、运动响应特性与航速之间的关系,与试验数据对比,二者吻合良好,并给出了对应的变化规律.定量分析了滑行艇尾压力兴波的凯尔文角、船尾空穴的长度和深度、流体与艇尾分离点与航速的关系.为滑行艇运动响应的实时数值预报和尾流场的分析提供了一种有效的方法.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(031)003【总页数】5页(P268-272)【关键词】高速滑行艇;运动响应;数值预报;尾流场【作者】凌宏杰;王志东;王芳【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 镇江 212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 镇江 212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U674.947;U675.91滑行艇作为高性能艇领域的重要组成，国内外学者在水动力性能、运动性能、操纵性能等方面开展了大量的工作，如文献[1-3]中依据试验结果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，应用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，文献[4]中基于有限体积方法研究了高速艇的运动特性，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六自由度运动响应，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指导高速艇的流体动力设计及运动性能预报.边界元方法也被用于滑行艇模型的水动力性能数值预报[5]，通过开展滑行平板、楔形体、底部斜升体等3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较好.文献[6]中利用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.文献[7]中采用试验方法研究了滑行艇高速航行时作用于艇体水动力及力矩，重点探讨了滑行艇底部压力的分布状态.文献[8-10]中利用自编程和商用软件FLUENT对滑行艇在静水中、规则波中的运动响应开展了较为系统的研究，对滑行艇的水动力性能、运动性能及尾流场特性进行了分析.文献[11]中对深V型滑行艇进行了规则波迎浪纵向运动实验研究，并且分析了波浪因素对滑行艇纵向运动的影响.文中基于FINE/MARINE软件，调用六自由度运动响应模块，开展了滑行艇静水中纵向3个自由度运动响应的数值预报(航速v=2～15m/s)，前进方向采用随体网格，升沉、纵摇采用弹簧法，对不同航速下滑行艇的水动力特性、运动响应特性、流场分布等进行了定量的分析，并与试验结果进行了对比.1.1 计算模型和网格划分针对某滑行艇艇型模型，采用Solidworks软件完成三维建模，导入Hexpress软件进行网格划分.在艇体附近和自由面进行网格加密，其中上部分为空气域，下部分为水域.水域为10L×4L×3L，空气域为10L×4L×1.5L，艇首距入口3 L，船尾距出口6 L为艇长.计算区域内艇体采用标准壁面函数，上边界和下边界采用指定压强(液体静压)，入口边界、出口边界及两侧边界为远场.滑行艇模型的主要参数见表1，图1为计算域和艇体表面网格划分示意.1.2 计算工况及数值计算方法重心距艇尾距离lg=0.381L，航速v=2m/s～15m/s共计14种工况，解算滑行艇的纵向3个自由度运动方程.基于FINE/Marine软件的高速滑行艇纵向三自由度运动响应预报的参数设置如下：三维非定常双相流；选用k-omega(SST-Menter)湍流模型，k与ω的值与雷诺数有关；采用滑行艇3个自由度运动，前进采用随体网格，升沉和纵摇采用弹簧法；湍流方程采用中心差分(AVLSMART)格式离散；动量方程采用中心差分(AVLSMART)格式离散；自由面采用混合自由面捕捉与重构相结合(BRICS)格式离散；压力速度耦合求解算法.滑行艇纵向运动调用FINE/MARINE软件自带的纵向三自由度运动模块.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，喷溅对航行中高速船的影响不容忽视.文中研究的滑行艇当航速v=7 m/s时，Fr▽=3.16.2.1 不同Fr▽数下滑行艇的水动力性能图2为滑行艇航速v从2～15 m/s时阻力历时曲线和稳定值与试验值的对比(试验数据来自哈尔滨工程大学的模型试验).从图中可以看出：滑行艇的总阻力F随着航速的增大而增大，数值预报结果与试验结果较为一致，误差最大为10%，普遍小于5%.从图3、4中可以看出：当v≤6 m/s(Fr▽<2.7)时，滑行艇处于高速排水型，艇体浸湿面积较大，随着航速增加而增加；当v≥7 m/s(Fr▽≥3.15)时，滑行艇进入滑行艇滑行段，艇体浸湿面积较小且水线以下为楔形，形状阻力Fp较小，剩余阻力Fv中兴波阻力Fv占主导地位，兴波阻力随着航速增加而增加.从图5中可以看出当v≥7 m/s(Fr▽≥3.15)时，艇体的重力主要由动升力FL提供，随着航速增加而增加；当v<4m/s时，滑行艇处于排水航行状态，动升力为负值，出现“吸底”现象.2.2 滑行艇的升沉纵摇运动特性分析从图6可以看出：当v<4m/s时，滑行艇因“吸底”现象出现下沉；当v≥4m/s时滑行艇的升沉量dH随航速的增加而增加，增幅不断减小且趋于稳定；数值预报结果与试验结果较为一致，误差最大为8%，普遍小于3%.从图7可以看出:当v<6m/s时，滑行艇的动升力不断增加，且压力中心点变化很小，滑行艇的抬首力矩不断增加，纵倾角α随航速的增加而增加；当v≥7m/s时，动升力进一步增加，但是压力中心点随航速增大不断后移，抬首力矩不断减小，纵倾角随航速的增加而减小；数值预报结果与试验结果较为一致，误差最大为8%，普遍小于3%.2.3 滑行艇尾流场分布规律滑行艇在静水中高速航行，艇体对水流具有阻碍作用，其尾流场主要特征：① 水流从艇体两侧流出，产生大量的飞溅和水花；② 艇尾兴波的散波和横波形成“鸡尾流”；③ 艇体尾缘形成“空穴”.图8为不同航行滑行艇尾流场的波高云图，从图中可以明显看出艇尾流随着航速演化的基本规律，由散波和艇体中纵剖面线确定凯尔文角γ.从图9可以看出凯尔文角γ与航速v之间大致满足三次函数关系，随着航速的不断增加而减小，减幅不断减小，航速由2 m/s增加到15 m/s，凯尔文角γ由38.2°减小到4.3°.图10为不同航速下艇尾中纵剖面处的波高H曲线，从该曲线中可以研究3个问题：① 艇尾空穴的长度；② 艇尾空穴的深度；③ 流体在艇尾分离点的距艇尾缘的垂向高度.图11横坐标为航速v，纵坐标为空穴长度(x)与艇长(L)之比，尾流场横波的第一个波峰随着航速增加不断后移，空穴长度不断增加，大致满足线性关系，最大值约为3.5倍艇长；图12横坐标为航速，纵坐标为空穴深度h与艇吃水d之比，当v≥4 m/s时，空穴深度随着航速增加而减小，大致满足二次函数关系，最大值约为1.6倍吃水；图13横坐标为航速v，纵坐标为艇尾分离点到艇底的距离z(负值位于艇尾底部上方，正值位于艇尾底部下方)，分离点与滑行艇的纵倾角有关，纵倾角随着航速增加纵倾角不断减小，分离点随着航速的增加不断上移.1) 基于FINE/MARINE软件实现高速滑行艇纵向运动响应的数值模拟，预报结果与试验值比较吻合良好；2) 高速滑行艇尾流场的凯尔文角γ与航速之间大致满足三次函数关系，随着航速的不断增加而减小；3) 高速滑行艇尾流场的空穴长度与航速大致满足线性关系，随着航速的不断增加而增加；4) 高速滑行艇尾流场的空穴深度与航速大致满足二次函数关系，随着航速增加而减小；5) 高速滑行艇尾部流体分离点随着航速的增加不断上移.【相关文献】[1] SAVITSKY D. 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