彭 锟， 刘 影

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

尾翼板对轮式两栖车辆航行阻力特性影响的研究

彭 锟， 刘 影

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

针对某轮式两栖车辆，采用k-ω湍流模型和Level Set多相流处理方法对两栖车体绕流场进行数值模拟．通过与试验结果的对比，验证了数值方法的可行性，并对比了基础车型与加装尾翼板和防浪板的车型在不同工况下的航行阻力特性．研究结果表明：对于轮式两栖车辆，尾翼板减阻与Fr密切相关．当Fr<2.087时，加装尾翼板能够起到较好的减阻效果；当Fr>2.087时，加装尾翼板反而起到增阻作用，此时需收起尾翼板．

轮式两栖车辆; 数值计算; 尾翼板; 阻力特性

轮式两栖车辆具有水上航速快、重量轻及操控灵活的特点，其发展受到各国的热切关注．2005年以来，英、美两国各自推出了多种航速超过45 km/h的轮式两栖车辆，促动了各国对新一代高速轮式两栖车辆的研制热潮[1]．

轮式两栖车辆水上航速问题一直是备受关注的研究焦点之一，有效的减小轮式两栖车辆水上航行阻力是研究中的一大难题[2]．目前应用的分析方法，基本上是参考船舶设计中的拖模试验方法[3]．该方法虽然可靠性强，但成本高、周期长．随着CFD技术的不断发展，一些学者基于CFD技术对两栖车辆水上减阻进行了研究．韩占忠[4]等人针对不同方案防浪板对两栖车辆减阻作用进行了数值研究；刘勇[5]等人针对不同航行倾角对两栖车辆阻力进行了数值分析；陶磊[6]对加装后翼板的履带式两栖车辆进行了研究，并指出加装后翼板对履带式两栖车辆有较好的减阻效果．与履带式两栖车辆相比，轮式两栖车辆重量轻、航行速度范围广导致了两者水上航行阻力特性差异较大．并且，针对轮式两栖车辆，尾翼板对其航行阻力特性的影响还尚未研究，目前轮式两栖车辆正是发展的热点，因此有必要针对加装尾翼板的轮式两栖车辆进行深入研究．

1 几何模型

针对某轮式两栖车辆模型(简称基础车型)，为减小其陆上行走机构带来的水上航行阻力，建模时将行走机构收起，将车体底面视为平滑表面[7]．然后分别加装单块尾翼板和双块尾翼板，其中两种尾翼板的体积相同以保证两者在静水中产生的浮力相同．再配合相同的防浪板，结合实验结果对3种模型进行数值仿真研究．其中，防浪板的长度约为车长的0.4倍，与车体底部夹角15°，宽度与车宽相同；单块尾翼板弦长约为车长的0.09倍，双块尾翼板弦长约为车长的0.107倍，其宽度均与车宽相同．外形示意图列于图1中．

图1 车体外形示意图

2 数值计算方法

2.1 无量纲参数定义

将数值计算所求出的阻力换算成相应的阻力系数，阻力系数定义如下.

(1)

式中：F为车体航行阻力；ρ为水的密度；ν为车体的航速；V为车体静水状态下排水体积．

将速度换算成相应的Fr，Fr定义如下.

(2)

式中：ν为车体的航速；g为重力加速度；V为车体静水状态下排水体积．

2.2 网格划分

两栖车辆外形较为复杂，采用混合网格划分方法．如图2所示，近车域部分采用非结构化网格，选用贴体性较好的Delaunay方法，对车体附近进行加密，然后对防浪板、车底、尾翼板进行再加密．远车域部分采用结构化网格，前部距车体大约3个车长，后部距车体大约5个车长，然后对水线附近以及车体附近进行加密．

图2 近车域、远车域网格图

考虑到两栖车辆在航行过程中的对称性，为节约计算资源，采用一半几何模型进行网格划分．图3列出了网格无关性验证曲线图．

图3 网格无关性验证曲线图

由图3(a)可知网格数在60万及以上时阻力系数变化不大；由图3(b)可知网格数在140万及以上时水阻力占总阻力百分比变化不大．因此网格数至少需要140万才能保证数值计算的精度．文中选用于数值计算的网格数约为160万．

2.3边界条件

计算区域的边界包括：入口、出口、壁面和对称面．入口采用速度边界条件，根据车体航行速度设置速度大小；出口定义为opening边界，并通过自定义函数设置其压力场分布；车体表面定义为不可滑移壁面；车体纵剖面的延展面定义为对称面．

2.4 车体姿态调整策略

文中数值计算方法基于定常结果，因此在不同的给定速度条件下两栖车辆的航行姿态是固定的．基于这一点，在姿态调整过程中，满足力系平衡原则，即车体重力与受到的升力相等，外力对重心的合力矩为零，对车体姿态进行调整．

在实际过程中，由于推进泵的作用，推进力会对车体重心产生一个力矩．文中车型推进力对重心的力臂约为0.6 m，因此推进力对重心的力矩是不容忽略的．为与试验一致，文中数值计算方法考虑了推进力对重心的力矩的影响，即在数值计算中计算总力矩时，首先监测原始力矩(原始力矩并未考虑推进力对重心的力矩)和阻力，根据阻力大小换算出推进力大小，计算得推进力对重心的力矩，推进力对重心的力矩与原始力矩之和即为总力矩．

2.5 湍流模型

选用k-ω湍流模型[8]．此模型求解了两个运输方程，一个关于湍动能k，另一个关于湍流频率ω．

k方程：

Pk-β′ρkω+Pkb,

(3)

ω方程：

(4)

式中：β′=0.09，α=5/9，β=0.075，σk=2，σω=2．密度ρ和速度矢量U为已知量；Pk是湍流产生速率。为了避免滞止区中湍动能的增强，引入了两个限定量Pkb和Pωb．

(5)

2.6 多相流模型

选用Level Set方法[9]．Level Set方法是近来发展起来的一种计算多相流方法，两栖车辆在水中航行时是典型的两相流动问题，因此，流体物性借助Level Set函数Ф和Heaviside函数H，可用下述方程.

ρS(x)=ρ1+(ρ2-ρ1)HS(φ(x))，

(6)

μS(x)=μ1+(μ2-μ1)HS(φ(x)).

(7)

式中：ρS表示流体密度；μS表示流体粘度．

Heaviside函数H定义为

HS(d)=

(8)

式中：ε是一个小量规整参数，总为正；d表示计算区域中的点与相界面的垂直距离．

借助Level Set函数Ф，相界面的内在集合特性参数可被确定如下，法向向量

(9)

界面曲率

(10)

3 计算结果及分析

3.1 数值方法验证

基于孙丽光[10]等人对两栖车辆基础模型进行的拖模试验研究，将本文数值模拟结果与试验结果进行了对比，并将结果列于图4中．对比图4中的两条曲线可知，两者误差均在5%以内．由此可见，数值模拟结果与试验结果吻合较好，这说明本文采用的数值计算方法正确可靠．

图4 不同Fr时试验与数值计算阻力系数曲线图

3.2 尾翼板对两栖车辆航行倾角的影响

由图5可知，加装尾翼板能够有效的减小车体倾角值．当Fr=1.5时，单块尾翼板车型车体倾角约为3°，较基础车型相比要减小80.86%左右．由图5还可知，随着Fr的增加，单块尾翼板车型车体倾角由3.1°减小到0.15°，变化量为2.75°，可见单块尾翼板车型能够较好的适合于两栖车辆的航行驾驶；双块尾翼板车型车体倾角由5.5°减小到2.54°，变化量为2.96°，可见双块尾翼板车型效果略次之；相比之下，基础车型车体倾角由16.2°减小到8.16°，变化量为8.04°，可见基础车型不能够有效的适合于两栖车辆的航行驾驶．

图5 不同Fr时不同方案车体倾角曲线对比图

表1列出了不同尾翼板在不同速度下产生的升力占车重百分比．由表1可知，尾翼板均能够产生较大升力，且单块尾翼板产生的升力较双块尾翼板大．因此,尾翼板产生的升力对车体重心产生一个首倾的力矩，使车体的倾角减小，并且单块尾翼板车型车体倾角比双块尾翼板车型更小．

表1 不同Fr时尾翼板产生升力占车重百分比

3.3 尾翼板对两栖车辆航行阻力的影响

图6中列出了不同Fr下3种车型的阻力变化曲线，对比图6中各条曲线可知，3种方案的阻力变化大小可分为3个阶段.

图6 不同Fr时不同方案阻力系数曲线图

1)当Fr<2.087时，加装尾翼板有较好的减阻效果，且单块尾翼板车型减阻效果更好；

2)当2.087

3)当2.347

根据有限宽平板滑行原理[11]，流体相对于平板的冲角越小，其受阻力越小，升力越小．两栖车辆航行姿态主要受两个参数影响：航行倾角及车体升沉，并且，车体升沉会影响车体的湿面积大小．若仅考虑航行倾角因素，车体倾角越小，其受阻力越小；若仅考虑车体升沉因素，车体倾角越小，车体所受升力越小，升力对车体的抬升作用越小，车体湿面积越大，其粘性阻力越大．因此，倾角对两栖车辆水上航行阻力有着双重影响．

图7 不同Fr时车体水线图

图7中列出了3种车型在3个阶段中典型的水线图．图8和图9分别列出了3种车型的车体及尾翼板阻力系数随Fr变化曲线．

图7(a)中列出了阶段一中Fr=1.461时，由车体水线图可知，此速度下基础车型倾角较大，其升力仅由车体提供；加装尾翼板的车型车体倾角较小，其升力由车体与尾翼板共同提供，尾翼板产生的升力对车体抬升作用补偿了车体小倾角对车体抬升作用的不足，因此,3种方案在此速度下车体湿面积差异不大．基础车型倾角最大，阻力值最大；单块尾翼板车型车体倾角较双块尾翼板车型小，因此单块尾翼板车型阻力更小．

图7(b)中列出了阶段二中Fr=2.347时，由车体水线图可知，此速度下基础车型湿面积已明显小于加装尾翼板的车型．虽然基础车型航行倾角此时仍然最大，但其与加装尾翼板的车型倾角差值较阶段一要大大减小．因此基础车型湿面积减小带来的减阻效果补偿了车体大倾角带来的增阻效果．由图8可知，此速度下3种方案车体阻力值相差不大，但由图9可知，尾翼板自身会产生一定的阻力，因此阶段二中基础车型阻力最小．

图7(c)中列出了阶段3中Fr=2.608时，由车体水线图可知，基础车型较阶段二湿面积继续减小，基础车型阻力值最小；双块尾翼板车型湿面积较单块尾翼板车型明显要小，且两者车体倾角差距不大，因此双块尾翼板车型车体阻力较单块尾翼板车型要略小．由图9可知，此速度下双块尾翼板产生的阻力比单块尾翼板产生的阻力也略小，因此双块尾翼板车型阻力值较单块尾翼板车型要略小．

对比3个阶段3种车型的阻力系数可知，当Fr<2.087时，基础车型尚未进入滑水阶段，车体湿面积、航行倾角均较大，而加装尾翼板的车型中尾翼板提供的升力有效的抬升车体，减小了倾角，因此降低了车体阻力；当Fr>2.087时，基础车型进入滑水阶段，车体湿面积、航行倾角明显减小，而加装尾翼板的车型中尾翼板增加了湿面积带来的阻力抵消了调整倾角减小的阻力，甚至随着Fr增加，加装尾翼板车型阻力大于基础车型．单块尾翼板较双块尾翼板产生了更大的升力，当Fr<2.347时，单块尾翼板车型中尾翼板提供的升力更有效的抬升车体，减小了倾角，因此阻力更小；当Fr>2.347时，单块尾翼板车型中尾翼板增加了湿面积带来的阻力抵消了调整倾角减小的阻力，甚至随着Fr增加，单块尾翼板车型阻力大于双块尾翼板车型．

图8 不同Fr时不同方案车体部分阻力系数曲线图

图9 不同Fr时不同方案尾翼板部分阻力系数曲线图

4 结 论

1)加装尾翼板能够有效的减小车体航行倾角，能够更好的适合于两栖车辆的航行驾驶；

2)加装尾翼板通过改变车体的航行姿态改变航行阻力的大小．在Fr<2.087时，加装尾翼板能够起到较好的减阻效果；在Fr>2.087时，加装尾翼板反而起到增阻效果．由于基础车型阻力峰值出现在Fr<2.087，因此在此速度区间内有必要加装尾翼板；当Fr>2.087时，建议收起尾翼板；

3)单块尾翼板较双块尾翼板产生的升力更大，在加装尾翼板的减阻速度区间内，单块尾翼板车型减阻效果更明显，建议在Fr<2.087时加装单块尾翼板．

[1] 陈思忠，吴志成，杨林，等．轮式两栖军车高航速技术探讨[J]．车辆与动力技术，2009(2)：61-64.

[2] 杨楚泉．水陆两栖车辆原理与设计[M]．北京：国防工业出版社，2003.

[3] 高富东，姜乐华，潘存云．基于计算流体动力学的两栖车辆水动力特性数值计算[J]．机械工程学报，2009，45(5)：134-139.

[4] 韩占忠，王国玉，闫为革．两栖车辆航行粘性阻力数值模拟[J]．车辆与动力技术，2003(2)：6-10.

[5] 刘 勇，刘少军，刘 质，等．滑行式两栖车辆最佳航行倾角的仿真分析[J]．计算机仿真，2011，28(10)：320-323.

[6] 陶 磊．两栖车辆水上航行阻力特性分析及研究[D]．北京：北京理工大学，2005.

[7] 宋桂霞，沈 磊．两栖车辆车轮收起前后阻力对比并行计算分析[J]．机械科学与技术，2010，29(8)：1051-1055.

[8] 王 涛，徐国英，姚新民，等．两栖车两相扰流场的模拟与水上快速性分析[J]．机械工程学报，2008，44(12)：168-172.

[9] Ducoin A, Huang B, Young Y L．Numerical modeling of unsteady cavitating flows around a stationary hydrofoil [J]．International Journal of Rotating Machinery，2012，Article ID：215678.

[10]孙丽光．高速两栖车减阻技术研究[D]．北京：北京理工大学，2007.

[11] 居乃鵕．两栖车辆水动力学分析与仿真[M]．北京：兵器工业出版社，2005：106-108.

Influence of Empennage on Resistance Characteristics of a Wheeled Amphibious Vehicle

PENG Kun1， LIU Ying

(School of Mechanical Engineering and vehicle，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，china)

Numerical simulation of the flow fields around a wheeled amphibious vehicle is carried out by using thek-ωturbulence model and the Level Set method of multiphase model. Computational results are consistent with the experimental data. The function of its empennage on the vehicle is analyzed. The results show that the empennage can effectively reduce both the sailing angle of the vehicle and its sailing resistance whenFris less than 2.087, and that the empennage should be packed up whileFris greater than 2.087 because additional resistance is brought about to the amphibious vehicle.

Wheeled amphibious vehicle; Numerical simulation; Empennage; Resistance

1009-4687(2014)04-0015-05

2014-04-21

国家自然基金重点项目(51239005)和国家自然基金项目(51106009)

彭 锟(1989-)，男，硕士，研究方向为两栖车辆外形优化.

U674.78

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