基于重叠网格的水陆两栖飞机静水滑行模拟

船海工程

SHIP & OCEAN ENGINEERING

V548 N〇.lFeb. 2019

D01：10.3963/j.issn. 1671-7953.2019.01.012

基于重叠网格的水陆两栖飞机静水滑行模拟

郑小龙，吴彬，王明振,唐彬彬

(

中国特种飞行器研究所f高速水动力航空科技重点实验室；b.水动力研究中心，湖北荆门448035)

摘要:为探讨STAR-CCM +仿真软件处理水面飞行器在静水面滑行问题的可行性，采用重叠网格和欧 拉V0F方法追踪气液二相交界面的动力学特性，获得相应的水动力性能，并将仿真计算结果与模型静水面滑 行试验结果进行对比。结果表明，仿真结果与试验值吻合度较高，计算所捕捉到流场信息与实际试验现象呈 现出了良好的一致性。从定性和定量的角度验证计算结果的可靠性，说明使用STAR-CCM +软件基于重叠网 格方法进行水面飞行器静水面滑行仿真是可行的。

关键词\"水面飞行器；STAR-CCM + %重叠网格;水面滑行:水动力性能中图分类号:U661;V211. 1

文献标志码:A

文章编号:1671-7953(2019)01-0049D5

目前，飞机滑行起飞研究主要通过模型缩比 试验和理论计算来进行[12]。近年来，有学者对水 陆两栖飞机水上着水问题进行了研究[3-]，但是对 于水面滑行起飞的姿态模拟及阻力性能的研究少 见报道。为此，考虑利用STAR-CCM+仿真平台， 基于重叠网格的方法实现模型的平移和转动，采 用V0F方法捕捉自由液面精细流场，对某型水陆 两栖飞机的单船身静水面滑行进行仿真模拟，并 与试验结果进行比对，对水陆两栖飞机静水面滑 行的水动力性能预报的可行性和有效性进行验 证。

式中:R,为时均速度，R为脉动速度，脉动速度相 关项为雷诺应力[5]。

气-液两相流采用V0F模型，界面追踪采用 高分辨率HRIC方法。考虑界面压缩修正的V0F 方法的控制方程为

1) 质量守恒方程。

'-d3 + ui ■ v& + v ■(R& (1 * 2) 动量方程。—

!—

+ (P„& u ■ V' uq = - & Vp +++u = 0 (3)

1数学模型

在计算机建立的数值水池中进行飞机单船

v ■ (/ & V uuU q& D + F#.q + Fs.q (4'

式中:Pu，&U，/分别为第U相的密度、体积分数和 流动速度，D为重力加速度，取值为9.81 m/A; F^

，Fl分别为相间曳力与表面张力。

在船体滑行过程中，液体的曳力和张力对于 整个流场而言属于极小量，因此，忽略这2项的影 。

3) 界面压缩速度。

— =Calul ( Va/I V a) I

(5)

式中:面I为流动速度;；为锐化因子，取值为〇~1。

身模型滑行模拟。粘性数值水池的控制方程由连

续性方程和动量方程（N- S)组成。假定流体不可压缩，则流场的连续性方程与RANS方程为

=0

P -- +

1-!P=PP 2 - +(1)

-P u 2R(2)

2计算模型及试验方案

计 模型 用的

水

单船 结

2.1计算模型

收稿日期:2018 -10-15 修回日期:2018 -11 -12

基金项@ :工信部（MJZ-2016-F-17)

第一作者:郑小龙（1988—），男，硕士，工程师 研究方向：水动力性能预报与设计

构（不含机翼与尾翼），模型总长2.24 m，初始纵 倾角4.2。。

将模型导入后，建立流场计算域。模型首部 距离入流边界！（！为模型总长），尾部距离出口

49

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船海工程

第48卷

边界5!，体中 在滑行过程中

，

采用

上 和 分别为！会出现较大的

2\"试验方案

试验水池长510 m#宽6.5 m#水深5 m，拖车 的最

达22 m/s。单船身模型水

和

仪上的导

行

验的安装见图3。船体 片，将固定在 上安装有导插入导航片中，

和2!，计域宽度设置为4!$ 于水

变化较大，

网格的方式进行网格划分。

建立 小的几何体将船体模型包围 域(overset mesh)， 小域，并 建立局部笛

标系，见图1。

图1计算网格模型

在运动与网格的处理上，采用区域运动的方 式，当船体在外力作用 生平动与转动时，船体小域网格 生相对位移，而小域网格

船体

生平移与转动，通过变流场参数

在计算网格中的分布，从而插值获得船体发生位 移后的流场参数与网格对应。区域运动模式 图 2。

图！船体位移与网格的对应关系

整个计算域由小型 域及流场大域组成，更

地

壁

流动的物理特性，船

体表面第一层网格节点的无因次长度.值控制

在50 ，网格总数为865. 34 。2.2边

件

计算采用隐式有限体积法离散动量方程，利 用分离式求解器在时域中求解，采用V0F方法对 自

进行

，计及重力

并采用标

：

气压 压力进行 ，使用带旋流的（Realizable 8 -揣流模型进行计算，对流项 采用二阶迎风模式以提高精度，6 m/s以 度

的时间步长采用0705 s6 m/s以上速度的时间

长采用 0.001 A。50

这样 防止模型在运动中产生

，还能保证试验模型

自由的进行前后、上

、俯仰

运动。

图3

单船身模型试验安装

规的静水 验主要 量模型的

阻力、 及 角这3个要素。阻力仪固定在轮上方， 过轮将阻力仪与模型 ，在验过程 处于紧 ，这样

量模型总阻力。 位处的位移传感器和

的倾角传器分别用

量模型的

角。

3 计算结果与试验验证

3\"阻力及姿态计算结果与试验值对比

CFD计算得到的阻力、

、 角 验结果的对

1。 中阻力采用

的R/G：

，即阻力与模型重力的 。1

，阻力和

角

度

的

‘呈

现出先增 减小的 ，二的数值在：为

57 m/s左右时达到最大;模型的 度增加而不断增大。

验结果进行比较可以得出，

阻力计 验值吻合度较高， 误差控制在3. 12X，最大误差为8. 26X ;纵倾角的计算结 果平均误差为3. 26X，最大控制在7. 13X ;升沉 的误差略微 ，最大达到32. 94X，

到3.5 m/s速度时的

1.4 mm 极小量，

因此误差 属 。3.2

面 分布

同速度下的自 高

图4，：

的提高，模型的

出先增大后减小

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第48卷

表1

1'

速度/(m • s_

’

253.5455.57.08090

模型试验结果及计算误差

R/G

0710750.210.230.220.21079

实验值$/(〇)

7.398.8414.5714.9613.8313.4213.03

计

8/ mm

-7.51.441.75.4102.110.6116.4

R/G0.110.160.210.230.230.200.19

相对误差/%

3.408.26-0.84-0.386.18-2.882.62

//(〇)C.928.6013.514.2413.8613.5613.20

对误差/%

7.13-2.5-5.65-4.830.201.021.28

1/ mm

-8.11.838.5069.3094.60101.40105.90

相对误差/%

8.4432.94-7.3-8.12-C.92-8.28-9.02

的特点， 周围的 $

出现在5.5 m/s的速度下，同时模型 以及尾部的波形

生

同的变

的尾部开尔文波的

开 显，且 的 致的。

，“鸡尾流”出的验过程中

的的

对位置逐渐后移，这 实际流动

显以看出，高

宽度更小； 高时，尾的“鸡尾流”现

3.3船底压力分布云图

不同速度下的船底压力分布见图5。可以 出，压力的分布 触水的 水

出

“三角”的形状，机首

沿此点

后高速

，因而使得船

。

度的增大，压力

的

增大时，船体的姿

e) 7.0 m/s

f) 8.0 m/s

c) 4.5 m/s

d) 5.5 m/s

e) 2.5 m/s

b) 3.5 m/s

点压力最大，压力

，而断阶处则出 行体的流动特 点

出 同时

出而形 2条压力 出，

压。这

符，滑行过程在水花沿

图5不同速度下的船底压力变化

位置逐渐后移。这 态角和升沉值也会整体增大，特别是速度超过

51

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第48卷

5.5m/s后， 开 幅增加，

$

的位

格的

，计

变 对于模拟传统高速滑行艇而言更的

更高，而基于

网格的

运动姿态过大而难

移，所以导致发生上述

3.4自由液面水气分布

计算方法可很好地解决这

4 度下的自

水气分布见图6。

a) 2.5 m/s b) 4.5 m/s

c) 5.5 m/s

d) 7.0 m/s

图6水气分布

图6中的 模型的中纵剖面，可以很直

观地得到水气分布的变

。对应速度的实际

流动

图7。

c) 5.5 m/s d) 7.0 m/s

图7船艉流动情况

度增大，

角增 减小，船体呈

出了“ #

”的规律，这高 行体的 流动特 符的。比较各 度下船

的流动

，可明显地看出，“鸡尾流”现

度的增

出

增强、后衰减的 ，

度增大时，船体 角 增大，船压入水中

导致了“鸡尾流”的产生；而

度达到一定值时， 的增大和

角的减小使得船艉上浮，“尾流”

开

消失，这图7拖

曳试验

到的流动'息是高度一致的。

4 结论

1'水陆两栖飞机水面滑行时姿态角较大，网

52

以模拟的问题。

2' 的增大，“尾流”的高度.先增 减小的规律，且生位置逐渐后移，当

增大到 程度时，“尾流” 开消失。船体 的压力分布为“三角”状，

使得船底2

出

条压力

，断阶处存在

压，这与高速断级滑行艇[8]的压力分布特 符。可定

水

行艇静水面滑行时的流

动

较

。

3)数计算结果与模型试验数据及试验现 对 ，数

结果 验值吻合度较高，

从 和定量的角度证明本文 出的计算方法行的，采用该方法对水

行器的水动

：

进行 估，可减少模型试验成本，缩短产品研

制周期。参考文献

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.快艇动力学[M].武汉:华中理工大学出版

社，1991.

(下转第57页）

2019 年

第1期

朱培培，等:船用脱硫塔结构安全性评估

船海工程

第48卷

判断文中脱硫塔不会发生屈曲问题。

在脱硫塔外壁设置环状加强筋，能有效提高 脱硫塔固有频率，避开共振频率范围，减小振动响 应幅值，经济性远优于增加塔壁板厚，该加强方案 对于提高船用脱硫塔固有频率具有普适性。

随着船用脱硫塔的普及率越来越高，需要更 加清晰和完善的规范规则来指导船用脱硫塔的设 计与计算。

参考文献

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筑结构抗震技术国际论坛论文集[C ].北京：北京维 拓时代建筑设计有限公司，2012.

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社，2014.

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oilTankers[ S]. IACS，2017.

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哈尔滨:哈尔滨工业大学，2014.

[3] 张云杰，程小齐.脱硫塔结构有限元分析:2012年建

出版社，2012.

Structural Security Evaluation of Marine Desulfurization Tower

ZHUPei-pei，FUJia，XUZhi-yan

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co. Lt(d.，Shanghai 200137，China)

Abstract: Aiming at the structural safety of the marine desulfurization tower during ship

operation，the lo

desulphurization tower was analyzed; and the yielding strength，buckling strength and vibration performance were assessed by fi­nite element method. The results showed that the yielding strengtli of the desulphurization tower meets the allowable require­ments. The buckling of tlie desulfurization tower was determined by the characteristic value analysis which showed that tlie desul­furization tower has no buckling problem. The annular stiffeners on the outer wall of tlie desulfurization tower can efectively im­prove the natural frequency of tlie desulfurization tower to avoid the range of resonance frequency，which is much more economical than increasing the thickness of the outer shell.

Key words: marine desulfurization tower; loading; yielding strength; buckling strength; vibration analysis

(上接第52页）

Simulation of Seaplane Sliding in Still Water Based on Overset Mesli

ZHENG Xiao-long，WU Bin，WANG Ming-zhen，TANG Bin-bin

(a. Key Aviation Scientific and Technological Laboratory of High-Speed Hydrodynamic;

b. Hydrodynamic Research Center，China Special Vehicle Research Institute b. Jingmen Hubei 448035，China)

Abstract: In

mesh and Euler

order VOF

to verify were used to

the feasibility of STAR-CCM n in of the

handling the

method capture the dynamic characteristics

gas-liquid interface，

responding hydrodynamic performance. Comparing the simulation results with the model hydrostatic sliding test results，showingthat the simulation results are in good agreement with the experimental values，and the information of the flow field is well consist­ent with the actual phenomena. From qualitative and quantitative perspectives point of view，it ii feasible to use STAR-CCM based on Overset mesh

method

to

simulate the

hydrostatic

of seaplane

sliding in still water.

Key words: seaplane; STAR-CCM n ; overset mesh; sliding in still water; hydrodynamic performance

57