魏子凡，井升平，楊松林

江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003

新型高速艇的CFD模擬和對比分析

魏子凡，井升平，楊松林

江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003

高速艇具有體積小、航速高、智能等優(yōu)點，可以完成搜救、探測、導航和作戰(zhàn)等多種任務(wù)，廣泛應(yīng)用于軍民用領(lǐng)域。研究高速艇的阻力性能對艇體的型線設(shè)計和艇體的流體動力學性能分析都顯得十分重要。設(shè)計一種新型高速艇，通過NUMECA系列軟件對不同的高速艇進行數(shù)值模擬計算，以研究此類新型高速艇的水動力性能。研究表明：加裝水翼或防飛濺條均可增加艇體的升力，使艇體更快地處于滑行狀態(tài)，安裝了防飛濺條的翼滑艇的阻力性能良好。

高速艇；CFD模擬；阻力性能；防飛濺條；水翼

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160729.0945.008.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：魏子凡，井升平，楊松林.新型高速艇的CFD模擬和對比分析［J］.中國艦船研究，2016，11（4）：22-28.

WEI Zifan，JING Shengping，YANG Songlin.CFD simulation and comparison analysis of a new type high-speed boat ［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（4）：22-28.

0　引　言

高速艇由于航速高的特點，以及艇上可以安裝雷達、聲吶、攝像機等武器設(shè)備，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍民用領(lǐng)域。另外，隨著作戰(zhàn)方式的變革以及電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，未來戰(zhàn)場將主要使用無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，因此各國越來越重視對水面高速無人艇的研究，高速艇將是海洋作戰(zhàn)的重要途徑和探索海洋的重要工具［1-4］。

數(shù)值模擬作為一種新興和有效的工具，可以有效地提高具有復雜系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計效率［5］。研究船舶的水動力性能時，經(jīng)常使用模型試驗、經(jīng)驗公式估算和數(shù)值計算方法，但經(jīng)驗公式估算存在精度和適用性問題，模型試驗存在成本和試驗環(huán)境等問題，而數(shù)值計算方法可以科學、真實地模擬計算船舶運動的情況，避免了試驗的局限性。因此，隨著數(shù)值計算方法的不斷成熟和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬將成為船舶水動力性能分析的重要手段，并得到廣泛應(yīng)用。本文將使用NUMECA系列軟件對不同工況的4種高速艇進行數(shù)值模擬計算，研究新型高速艇的水動力性能，并進行阻力分析。

1　幾何建模

本文主要介紹一種新型無人翼滑艇的設(shè)計過程，對有8種不同規(guī)格防飛濺條的滑行艇以及4種艇型進行幾何建模，包括：滑行艇、有防飛濺條滑行艇、翼滑艇和有防飛濺條翼滑艇。設(shè)計的新型高速艇是指有防飛濺條的新型無人翼滑艇，相比一般的高速艇，翼滑艇的結(jié)構(gòu)更為復雜。表1所示為船模主尺度。表2所示為在船?；A(chǔ)上放大4倍所得的實艇參數(shù)。CFD阻力計算的海水密度為1 026.021 kg/m3。

表1　船模主尺度Tab.1　Model specifications

1.1防飛濺條設(shè)計

為改善滑行艇的性能，通常采用一些特殊艇型，例如斷級艇和槽道滑行艇等。無論是軍用還是民用，對滑行艇的適航性要求越來越高，這些特殊形狀的艇型往往難以滿足要求。

1）舭防飛濺條。防飛濺條在高性能艇的兩側(cè)安裝，一般呈帶狀或條狀，起到抑制水花噴濺，增加滑行面寬度的作用，也可以適當降低艇體受到的興波阻力，增強艇體的穩(wěn)性。研究表明：在折角型艇的折角線位置安裝適當?shù)姆里w濺條，無論對控制飛濺性能或增大艇體底面的升力效應(yīng)都有一定影響［6］。根據(jù)科爾貝的試驗結(jié)果，當向下傾斜的舭防飛濺條具有較小的15°傾角時，其抑制噴濺的能力反而比有較陡的45°傾角時要好［7］。因此，本文設(shè)計的防飛濺條采用15°傾角，如圖1所示。

圖1　防飛濺條剖面圖Fig.1　Cross-section profile of splash-proof strip

2）設(shè)置防飛濺條。在1.5 m船?；A(chǔ)上，為滑行艇折角線處安裝的防飛濺條設(shè)置了8組不同規(guī)格，如表3所示。以表中型號22-46為例，0號站防飛濺條寬（前寬）22 mm，5號站防飛濺條寬（后寬）46 mm，0～5站防飛濺條寬呈等差數(shù)列。圖2為型號22-46的防飛濺條三維視圖。

表3　8種防飛濺條尺寸Tab.3　Size of eight kinds of splash-proof strip

圖2　防飛濺條三維模型Fig.2　Three-dimensional view of splash-proof strip

1.2新型高速艇設(shè)計

在1.5 m船模基礎(chǔ)上，于艇艏部安裝了一個水翼，水翼剖面形狀為平凸弓型，平面形狀為矩形翼。為了保證艇的運動穩(wěn)定，確保良好的推進性能和構(gòu)造簡單，選用全浸式水翼。共選取64種不同幾何尺寸的水翼，水翼剖面相對厚度一般在0.04～0.09之間，選取0.07。水翼支柱選取剖面形狀為NACA 0012的翼型剖面。弦長為水翼弦長的4/5。水翼展長與艇寬比值選取0.5，0.55，0.6，0.65。水翼展弦比選取5，6，7，8。水翼攻角選取0.5°，1°，1.5°，2°。

圖3所示為滑行艇和翼滑艇的三維模型。翼滑艇艏部安裝的水翼展長與艇寬比為0.5，展弦比為7，攻角為0.5°，水翼位置距艇艏0.2倍艇長，水翼相對浸深為2。為進一步改善滑行性能，在翼滑艇的兩側(cè)安裝了防飛濺條，如圖4所示。

圖4　安裝防飛濺條的新型翼滑艇三維模型Fig.4　Three-dimensional view of the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip

2　數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是指依靠電子計算機，結(jié)合有限元或有限容積的概念，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法來研究工程等各類問題。進行數(shù)值模擬的第一步要建立能反映問題本質(zhì)的數(shù)學模型［8］。現(xiàn)代數(shù)值模擬計算通過參數(shù)的精確設(shè)置已經(jīng)可以接近真正的試驗，隨著計算方法的進步，數(shù)值模擬的水平會越來越高，效果也會越來越逼真［9］。

CFD作為一種結(jié)合了近代流體力學、數(shù)學和計算機科學的計算流體動力學軟件，以電子計算機為計算工具，綜合多種離散化的數(shù)學方法，可以對流體力學問題進行計算機模擬、數(shù)值實驗和分析研究來解決各種實際問題。CFD軟件的結(jié)構(gòu)一般由前處理、求解器和后處理3部分組成。

FINE/Marine是一款由NUMECA公司為船舶與海洋工程設(shè)計的CFD軟件包，圖5所示為主要軟件構(gòu)成與操作流程。由圖可知，該軟件包括了網(wǎng)格生成器HEXPRESS、后處理工具CFView和不可壓粘性流場求解器ISIS-CFD。對于船舶工程問題的模擬都可以通過使用FINE/Marine界面的設(shè)置計算實現(xiàn)，無需通過二次開發(fā)功能，這為工程師提供了極大的方便［10］。

圖5　FINE/Marine的主要軟件構(gòu)成與操作流程Fig.5　Composition and operation process of FINE/Marine software

本文CFD數(shù)值模擬的計算速度設(shè)置如下：艇體從靜止狀態(tài)以1/4正弦加速，在1 s時達到設(shè)定航速，然后勻速航行。首先，指定初始速度V0，初始時間t0。然后，以1/4正弦曲線加速至指定時刻t1，達到指定航速V1。最后，以V1勻速航行。

2.1網(wǎng)格劃分

圖6和圖7所示分別為HEXPRESS生成的新型高速艇的整體網(wǎng)格和局部網(wǎng)格。

圖6　新型高速艇的整體網(wǎng)格圖Fig.6　Overall grid map of a new type of high-speed boat

圖7　新型高速艇的局部網(wǎng)格圖Fig.7　Local grid map of a new type of high-speed boat

2.2后處理

后處理過程由數(shù)值模擬和數(shù)值分析兩個部分組成。數(shù)值模擬過程，指將網(wǎng)格模型的每個面以數(shù)值形式表現(xiàn)，包括分析處理幾何區(qū)域的選擇、幾何面激活、網(wǎng)格面選擇、流場參數(shù)選擇、流面構(gòu)建、坐標系創(chuàng)建等操作。數(shù)值分析過程，指要輸出所激活面上的參數(shù)，對選定幾何區(qū)域的流場參數(shù)進行分析。矢量分析的相關(guān)內(nèi)容包括體流線、面流線、矢量場和矢量積分等。標量分析的相關(guān)內(nèi)容包括云圖、等值線圖、質(zhì)量加權(quán)平均、面積平均，以及沿曲線曲面積分和標定任意點值等。

圖8～圖11為帶有防飛濺條型號46-22的翼滑艇壓力云圖，該模型各參數(shù)見1.2節(jié)和圖3。從圖8中可以看出，防飛濺條處的壓力較大，且圖8（b）的滑行面較圖8（a）小。從圖9中可以看出水翼上的壓力較大，且圖9（b）滑行面比圖9（a）的滑行面小。圖10示出了艇體運動時水線面處的壓力云圖和壓力等值線分布圖。從圖11可以看出，當有防飛濺條的翼滑艇進入滑行狀態(tài)時，主要由水翼提高升力。

從以上4種艇體在V=10 m/s相同速度下的滑行面來看，有防飛濺條的翼滑艇滑行面最小，其次是翼滑艇，再其次是有防飛濺條的滑行艇，最后才是滑行艇。因此，防飛濺條的設(shè)計和水翼都可以有效地加快艇體進入滑行狀態(tài)。

圖8　滑行艇底面壓力云圖（V=10 m/s）Fig.8　Pressure distributions on the bottom of planing boat （V=10 m/s）

圖9　翼滑艇底面壓力云圖（V=10 m/s）Fig.9　Pressure distributions on the bottom of gliding-hydrofoil craft（V=10 m/s）

圖10　有防飛濺條的翼滑艇水線面處的壓力云圖和等值線分布圖（V=10 m/s）Fig.10　Pressure distributions and contours on the water-plane of gliding-hydrofoilcraftwith　splash-proofstrip （V=10 m/s）

圖11　有防飛濺條翼滑艇的側(cè)面壓力云圖（V=10 m/s）Fig.11　Pressure distributions on the side of gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip（V=10 m/s）

3　阻力分析

3.1不同防飛濺條的比較

針對型號0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js的水翼對比分析了不同防飛濺條，其中0.5b表示水翼展長為0.5倍的艇寬，7zxb表示水翼展弦比為7，0.5du表示水翼攻角0.5°，0.2L表示水翼位置距艇艏0.2倍艇長，2js表示水翼相對浸深為2。分析結(jié)果如圖12和圖13所示。圖中：Fx，F(xiàn)xv，F(xiàn)z分別為單位排水量下的總阻力、摩擦阻力和升力；G為重力。表4為分析得到的不同型號防飛濺條在V=10 m/s時的最大升力與重力比值（Fz/G）。

從表4所示最大升力重力比可以看出，當體積傅汝德數(shù)（Fr▽）達到2.86時艇體已經(jīng)處于滑行狀態(tài)。由圖12可以看出，艇體加速時單位排水量升力和單位排水量總阻力隨時間增加而增加，當達到設(shè)定航速時，艇體勻速航行，此時單位排水量升力繼續(xù)增加，單位排水量總阻力減小，最終升力上升和阻力下降都趨于平緩。由圖13可以看出，總阻力中的摩擦阻力占比也最終趨于平緩，其值較小，在2%左右變化。綜合來看，型號40-28，43-25和46-22的防飛濺條具有較好的阻力性能，其中型號40-28的最好。

圖12　不同防飛濺條翼滑艇的單位排水量總阻力和升力隨時間變化曲線（V=10 m/s）Fig.12　Time histories of the total resistance and lift of unit displacement for the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strips（V=10 m/s）

圖13　不同防飛濺條翼滑艇的升力與重力比和摩擦阻力成分隨時間變化曲線（V=10 m/s）Fig.13　Time histories of the lift-gravity ratio and frictiontotal-resistance ratio for the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strips（V=10 m/s）

表4　不同型號防飛濺條在V=10 m/s時的最大升力與重力比Tab.4　Maximum lift-gravity ratio of various sizes of splash-proof strip at the speed of V=10 m/s

3.2不同艇型的綜合比較

1）對主艇體、水翼、防飛濺條尺寸相同的4種艇型進行阻力分析，包括：滑行艇、有防飛濺條滑行艇、翼滑艇和有防飛濺條翼滑艇。圖14～圖17為分析的結(jié)果。

圖14～圖17中4種艇體編號如下:（1）Bare hull：滑行艇；（2）46-22：具有防飛濺條的滑行艇；（3）0.5b-7zxb：翼滑艇（水翼展長為0.5倍艇寬，展弦比為7，攻角0.5°，距艇艏0.2倍艇長，相對浸深為2）；（4）46-22-0.5b-7zxb：加水翼型號0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js和 防 飛 濺 條 型 號46-22。裸艇體重力19 362.91 N，F(xiàn)r▽=2.86。

圖14～圖15對比了4種艇型的單位排水量阻力和升力、升力與重力比、摩擦阻力與總阻力比，得到的阻力性能好壞依次如下：有防飛濺條的翼滑艇—翼滑艇—有防飛濺條的滑行艇—滑行艇。當V=10 m/s時，有防飛濺條的翼滑艇艇體升力已大于重力，艇體已經(jīng)達到滑行狀態(tài)，而此時滑行艇的升力與重力比最高只有0.65左右。

圖14　不同艇型的單位排水量總阻力和升力隨時間變化曲線（V=10 m/s）Fig.14　Time histories of the total resistance and lift of unit displacement for four types of hull（V=10 m/s）

圖15　不同艇型的升力與重力比和摩擦阻力成分隨時間變化曲線（V=10 m/s）Fig.15　Time histories of the lift-gravity ratio and friction-total-resistance ratio for four types of hull（V=10 m/s）

由圖16可知，當有防飛濺條的翼滑艇（Boat，型號46-22-0.5b-7zxb-0.5du-0.2L-2js）V=10 m/s時，艇體3個部分提供升力的結(jié)果是：主艇體（Hull）最大提供73.69%的艇體重力；水翼（SY）最大提供21.34%的艇體重力；防飛濺條（Fei）最大提供8.28%的艇體重力。由圖17可知，對于4種艇型的縱傾角變化，有防飛濺條的滑行艇的縱傾角反而最小，翼滑艇縱傾角最大，因此防飛濺條可以減小艇體的縱傾角。綜合來看，加水翼或防飛濺條都可以增加艇體升力，使艇體更快地進入滑行狀態(tài)。加水翼的效果比加防飛濺條的效果好，而同時加水翼和防飛濺條的艇體更能改善滑行艇的阻力性能。

圖16　艇體各部分的升力與重力比隨時間變化曲線（V=10 m/s）Fig.16　Time histories of the lift-gravity ratio of every part of boat for four types of hull（V=10 m/s）

圖17　4種艇型縱傾角隨時間變化曲線（V=10 m/s）Fig.17　Time histories of the trim angle for four types of hull （V=10 m/s）

2）在型號46-22防飛濺條的滑行艇上安裝最小水翼和最大水翼方案。最小水翼指水翼展長為0.5倍艇寬，展弦比為8，攻角為0.5°。最大水翼是指水翼展長0.65倍艇寬，展弦比為5，攻角為2°。2個水翼分別距艇艏0.2倍艇長，相對浸深為2。兩種方案的分析結(jié)果如表5所示。該表中列出了安裝最大水翼、最大攻角以及最小水翼、最小攻角時艇的整個艇體、主艇體、水翼和防飛濺條共4個部分的最大升力與重力比。

表5　艇體各部分的最大升力與重力比（V=10 m/s）Tab.5　Maximum lift-gravity ratio of every part of boat（V=10 m/s）

由表5所示，在Fr▽=4時，對比兩種方案下的最大水翼升力與重力的比值可知，設(shè)計的水翼可以提供28.54%～71.10%艇重的升力。從圖18曲線變化的趨勢看，對于最小水翼、最小攻角下的運動，在前1 s加速的過程中，水翼（SY）和防飛濺條（Fei）提供的升力一直增大，但幅度較為平緩，而主艇體（Hull）的升力先增大后減小，但1 s后快速增加，提供了主要的升力來源。從圖19曲線變化趨勢看，對于最大水翼、大攻角下的運動，水翼（SY）和防飛濺條（Fei）提供的升力一直增大，但防飛濺條的升力幅度較為平緩，水翼的升力上升很快，提供了主要的升力來源。

圖18　最小水翼、最小攻角時艇體各部分的升力與重力比隨時間變化曲線（V=10 m/s）Fig.18　Time histories of lift-gravity ratio of every part of boat with the smallest hydrofoil and minimum angle of attack for four types of hull（V=10 m/s）

4　結(jié)　語

本文對一種具有防飛濺條的翼滑艇進行了幾何建模，設(shè)計了8種不同規(guī)格的防飛濺條和64種水翼，通過NUMECA系列軟件對不同工況下的高速艇進行數(shù)值模擬計算，來研究新型高速艇的水動力性能。研究表明：加水翼或防飛濺條均可增加艇體的升力，使艇體更快地進入滑行狀態(tài)，其中加水翼的效果較防飛濺條的好。同時，加水翼和防飛濺條的艇體更能改善滑行艇的阻力性能。

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CFD simulation and comparison analysis of a new type high-speed boat

WEI Zifan，JING Shengping，YANG Songlin
College of Marine and Shipbuilding Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China

The high-speed boat has the advantages of small volume，high-speed，and intelligent control，which can complete search and rescue，detection，navigation，combat，and other tasks，and it has been widely applied in military and civilian fields.Particularly，studying the rapidity performance of high-speed boat is of vital importance for the boat design and analysis of fluid dynamics performance.In this paper，a new type of high-speed boat is presented，whose hydrodynamic performance is analyzed and compared with different high-speed boats through numerical simulation in NUMECA software.The results show that hydrofoil and splash-proof strip can improve the lift force of the boat，helping the boat enter the planing state faster.Moreover，it is seen that the gliding-hydrofoil craft with splash-proof strip has good resistance performance.

high-speed boat；CFD simulation；resistance performance；splash-proof strip；hydrofoil

U661.31

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.004

2015-12-03網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-7-29 9:45

國家自然科學基金資助項目（51379094）

魏子凡（通信作者），女，1990年生，碩士生。研究方向：船舶優(yōu)化設(shè)計。

E-mail：jkdwzf@163.com

楊松林，男，1956年生，教授。研究方向：船舶運動及其控制，船型綜合優(yōu)化。

E-mail：ysl560516@vip.163.com