（机械设计及理论专业论文）两栖车辆水上性能的理论和数值计算及车体方案设计研究.pdf

摘要摘要为了适应现代战争条件下快速抢滩登陆作战的需要，对两栖车辆的水上快速性能提出了更高的要求，随着大功率动力部件的快速发展，发展具备水上高性能的两栖车辆已成为可能。但是两栖车辆作为具备水上和陆上高性能的复杂产品，其要满足的约束条件多，性能指标高，因而研制的难度大，本文采用现代产品创新设计理论，运用流体力学、计算流体力学、边界层、湍流及快艇阻力性能等理论对两栖车辆的水上快速性进行了综合研究：( 1 ) 根据两栖车辆的结构特点( 尤其是车体和行动部分) ，分析了履带式两栖车辆水上阻力的组成及其变化规律，比较了现有快艇水上阻力的计算方法及其在两栖车辆上应用的可行性，通过将快艇的阻力计算方法在两栖车辆上进行应用，发现其计算结果偏差较大，为此采用势流理论计算了两栖车辆不同截面的虚质量，进而采用该虚质量理论计算车体部分的升力性能，结合两栖车辆的试验结果，给出了两栖车辆概念设计中水上飞行阶段的性能预报方法。( 2 ) 鉴于两栖车辆起飞前阻力计算的困难，以轮式两栖车辆为对象，采用v o f ( y o l u m eo ff l u i d ) 多相流模型研究了其水上性能数值预报的方法，给出了一种结构网格和非结构网格相结合的混合网格划分方法，以及交接面的计算方法，搭建了并行计算的软硬件系统环境，比较了并行计算时的不同网格分割方法，上述方法克服了以前仿真计算中无法进行两栖车辆兴波和喷溅阻力计算的问题，在中低车速下可将车辆水上性能的预测精度控制在1 0 之内；采用上述仿真计算方法对履带式两栖车辆车体设计方案的水上性能进行了比较，发现在适度增大攻角以及增加侧滑板是切实可行、易于使车辆达到水上高速航驶的方案。( 3 ) 分析了两栖车辆车体和推进器相互作用的机理，指出推进器增加两栖车辆的水上阻力可达2 0 以上，并且易使车体后部受到的升力增加，从而使车辆纵倾减少：给出了车体和推进器共同仿真时的模型，研究了仿真计算条件下，推进器系统效率、管道效率的计算及其变化情况，以及推进器流管的变化情况，这对设置推进器的进水口、管道设计具有一定意义。( 4 ) 研究了面向复杂产品系统的性能驱动的概念设计方法，结合t r i z 、公理等设计理论，给出了产品性能为驱动的功能、原理、方案和方案、结构配置及参数设计的两阶段循环设计模型；分别从减少阻力和提高推进力两方面系统研究了提高两栖车辆水上快速性的方案，着重对气泡减阻的可行性进行了论证；构建了建立在上述两阶段概念设计进程模型基础上的创新方案设计环境和资源建设模型。关键词两栖车辆；车体；水上性能；计算流体力学；喷水推进器：v o f ；概2浙江大学博士后研究报告念设计；气泡：水翼摘要a b s t r a c tt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fl a n d i n gt h eb e a c hf a s t , i ti sn c c e s s a r yt oe n h a n c et h ea m p h i b i o u sv e h i c l e s n a v i g a t i o ns p e e d , w h i l ew i t ht h ec o n t i n u o u st e c h n o l o g yi m p r o v e m e n to f l a r g ep o w e re n g i n e ，i ti sr e c e n t l yp o s s i b l et od e s i g na n dm a n u f a c t u r eh i g h - p e r f o r m a n c ea m p h i b i o u sv e h i c l e s a sac o m p l e xp r o d u c tt h a th a sh i g hp e r f o r m a n c ea t t r i b u t e so nt h ew a t e ra n dl a n d , t h ea m p h i b i o u sv e h i c l em u s ts a t i s f ym a n yc o n s t r a i n t st or e a l i z eh i g ha t t r i b u t ev a l u e s ，a n dt h i sc a u s e si th a sm a n yd i f f i c u l t i e st od e v e l o ps u c hk i n do fp r o d u c t i nt h i sr e p o r t ，m o d e mp r o d u c td e v e l o p m e n tt h e o r i e s ，f l u i dm e c h a n i c sa n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，b o u n d a r yl a y e rt h e o r y , t u r b u l e n c ea n dr e s i s t a n c et h e o r yo fh i g hp e r f o r m a n c eb o a t sa r eu t i l i z e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l eo nt h ew a t e r ：( 1 ) a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea m p h i b i o u sv e h i c l e( e s p e c i a l l yt h eb o d ya n dt h ew a l k i n gs y s t e m ) ，t h ec o m p o s i t i o na n dc h a n g el a w so ft h ew a t e rr e s i s t a n c eo f t h ev e h i c l ea r ea n a l y z e d ，t h er e s i s t a n c ec o m p u t a t i o nm e t h o d sf o rs p e e db o a t sa r ed i f f e r e n t i a t e da n dt h e i rp o s s i b i l i t i e so fa p p l i c a t i o no nt h ea m p h i b i o u sv e h i c l ea r ed i s c u s s e d a st h e r ei sal a r g ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec o m p u t a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n tr e s u l t s ，an e wm e t h o dt h a ta d a p t st o t h ev e h i c l e ss t r u c t u r ei sn e e d e d t h ev i r t u a lm a s so fd i f f e r e n tb o d ys e c t i o n sa r ec a l c u l a t e du s i n gt h ef l u i dp o t e n t i a lt h e o r y , a n dt h el j f lf o r c et h ev e h i c l eb o d yo b t a i n sw h i l ef l y i n go nt h ew a t e ri sd e r i v e d ，t h ea b o v em e t h o dc a l lb eu s e dt op r e d i c tt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c eo nt h ew a t e rd u r i n gi t sc o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s ( 2 ) c o n s i d e r i n gt h a ti ti sv e r yd i f f i c u l tt oc o m p u t et h ea m p h i b i o u sv e h i c l e sr e s i s t a n c et h e o r e t i c a l l yw i t hah i g hp r e c i s i o n , iu s et h ev o l u m eo ff l u i dm u l t i p h a s em o d e lt oc a l c u l a t et h er e s i s t a n c en u m e r i c a l l y ah y b r i dm e s h i n gm e t h o dt h a tc o m b i n e ss t r u c t u r ea n dn o n - s t r u c t u r e 鲥da n dt h ei n t e r f a c ep l a n et h a tt w ok i n d so f鲥dm a t c h e sa r ep r e s e n t e d ，b o t ht h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ep a r a l l e lc o m p u t a t i o ne n v i r o n m e n t sa r ec o n s t r u c t e d ，t h eg r i dp a r t i t i o nm e t h o d sf o rp a r a l l e lc o m p u t a t i o na r ed i f f e r e n t i a t e d s i n c et h ew a v er e s i s t a n c ea n dt h ef l u i ds p u r tr e s i s t a n c ec a l lb ei n c l u d e di nt h er e s u l t , t h ec o m p u t a t i o ne r r o rc a nb ec o n t r o l l e dw i t h i n1 0 i ft h ev e h i c l en a v i g a t e sw i t hal o wa n dm i d d l es p e e d ；t h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tb o d yd e s i g nc o n c e p t sa l ed i f f e r e n t i a t e dt h r o u g ht h ea b o v es i m u l a t i o nm e t h o d , a n di ti si l l u s t r a t e dt h a te n l a r g i n gt h ea t t a c ka n g l ea n da d d i n gt h es i d eh y d r o f o i lt ot h eb o d ya r eu s e f u lf o rt h ea m p h i b i o u sv e h i c l et ot a k eo f f d u r i n gt h ee a r l yg l i d i n gp h a s e ( 3 ) t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ev e h i c l eb o d ya n dt h ep r o p u l s o ri sa n a l y z e d , t h e4浙江大学博士后研究报告r e s i s t a n c ei m p o s e do nt h ev e h i c l ew h e ni tr u n so nt h ew a t e rc a l li n c r e a s em o r ct h a n2 0 b e c a u s eo f t h ep r o p u l s o r , a n dt h el i f tf o r c ea c t i n go nt h er e a l b o d yi n c r e a s e dt o o ，w h i c hl e a dt oal e s sa t t a c ka n g l e t h es i m u l a t i o nm o d e lt h a ti n c l u d sb o t ht h eb o d ya n dt h ep r o p u l s o ri sg i v e n , a n dt h ec h a n g e so ft h es y s t e me f f i c i e n c y , p i p ee f f i c i e n c ya n dt h es t r e a mt u b eo ft h ep r o p u l s o ra r ed i s c u s s e du n d e rt h es i m u l a t i o nc o n d i t i o n , t h i si sm e a n i n g f u lf o rd e s i g no f t h ew a t e ri n l e ta n dp i p eo f t h ep r o p u l s o r ( 4 ) t h ep e r f o r m a n c e h k i v e nc o n c e p t u a ld e s i g nm e t h o df o rt h ec o m p l e xp r o d u c ti sd i s c u s s e d , at w o - p h a s ec y c l i cc o n c e p t u a ld e s i g nm o d e l ，w h i c hc o n s i s to ff r o mf u n c t i o nt oe f f e c tt oc o n c e p ta n df r o mc o n c e p tt os t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o nt op a r a m e t e rd e s i g n ；t oi m p r o v et h en a v i g a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ea m p h i b i o u sv e h i c l e ，r e s i s t a n c er e d u c t i o na n di n c r e a s i n gp r o p u l s i o nf o r c ed e s i g nc o n c e p t sa r eg i v e n , t h ef e a s i b i l i t yo fr e s i s t a n c er e d u c t i o no fp l a n n i n ge r a rb ya i ri n j e e t i o ni ss t u d i e dw i t hm o r ea t t e n t i o n ；as o f t w a r es y s t e mf r a m e w o r ka n dd e s i g nr e s o b r c er e p r e s e n t a t i o nm o d e lb u i l to nt h ea b o v et w o p h a s ec o n c e p t u a ld e s i g nm o d e la r ef i n a l l yi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：a m p h i b i o u sv e h i c l e ；b o d y ；p e r f o r m a n c eo nw a t e r ；c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ；w a t e r - j e tp r o p u l s o r ；v o l u m eo ff l u i d ；c o n c e p t u a ld e s i g n ；b u b b l e ；h y d r o f o i l5第一章绪论1 1 引言第一章绪论两栖车辆具有快速隐蔽、陆上机动灵活以及在水陆交界处独特的通行性能特点，能在天气不好、波浪较大的情况下登陆和入水作战，因而具有重要的军事价值。我国是一个海域辽阔的国家，有着众多岛屿的领土主权和海洋资源权益需要维护，大力发展两栖车辆技术对于保持国家长治求安有着重要的现实意义。两栖车辆担负着近海抢摊登陆作战的任务，因此要求水陆两栖车辆不仅具有良好的陆地性能，而且要具有良好的水上性能。随着大功率动力部件在两栖车辆上的应用，提高和改善两栖车辆的水上性能日渐成为各国研究的重点，两栖车辆的水上性能主要包括“1 浮性、稳性、快速性、操纵性等性能，其中快速性是衡量两栖车辆水上性能的主要指标之一，因此研究两栖车辆的航行阻力的大小及变化规律，车辆与推进器相互作用的机理，以及产生最小水上阻力的两栖车辆设计方案等基础性问题，成为提高两栖车辆设计水平和性能的先导性问题。目前，世界政治局势整体处于和平状态，局部存在动乱和威胁，在这种大背景下，美国海军提出了以提高“军事机动性”为目标的变革，以由海到陆的两阶段两栖作战理论代替传统的三阶段理论，其实质是首次突击登陆作战的部队要避开敌岸主要火力的有效射程，实施超视距突击登陆。从这个变革中可预见，高性能的两栖车辆对世界和地区局势的稳定将具有重要意义。对于我国，在目前国家还没有完全统一的情况下，两栖车辆还有担负抢摊登陆作战任务的可能，在我军装备高性能的两栖车辆对台湾分裂势力的猖獗活动具有重要的遏制作用。应该看到，由于两栖车辆同时要具备良好的陆地和水上性能，车辆本身所要实现的功能多，达到的性能指标高，寻找满足上述要求的两栖车辆设计方案是一个困难的问题。美国研制的新一代两栖战车一从a v ，耗资达数十亿美元，时间长达十几年。若要完全采用美国的两栖车辆研发模式，我国现阶段的财力状况几乎难以支撑，加之我国在两栖车辆上的技术储备比较薄弱，如若在短时间内使我国的两栖车辆设计和性能达到美、俄等国家的水平，必须将现代产品设计理论、计算流体力学、敏度分析以及进化计算等新兴学科理论和技术成果融入到两栖车辆的研发过程中，达到大幅度提高两栖车辆设计水平和性能指标的目的，走出一条符合我国国情的军事装备研发路子。因此，基于c f d 的两栖6浙江大学博士后研究报告车辆协同概念设计研究在我国军事装备行业具有广泛的应用前景。浙江大学机械设计研究所与北京车辆研究所等单位有良好的合作关系，目前正在开展两个项目的合作研究工作，本课题的研究成果可以应用到该所新型两栖车辆的开发工作或者现有两栖车辆型号的改进设计工作中，并以该所的典型应用成果向其它相关单位进行推广。1 2 两栖车辆的发展现状h2 1对两栖车辆研究最多的是前苏联和美国。前苏联装备的比较典型的两栖车辆是i i t 一7 6 水陆坦克和b m i i 一3 履带式步兵战车，这种装备的特点是：以陆军机械化部队为主要使用对象，使用地点则以内陆江河为主，兼顾海上使用，装备的火力强、体形小、陆上机动性好，水上和陆上的功率一致，水上速度只有大约1 0 k m h ；美国作为海洋大国，对两栖车辆的研究一直比较重视，在第二次世界大战期间，共研制了l v t i 、l v t 一2 、l v t - 3 、l v t - 4 四种车型及变型车，二次世界大战后，特别是仁川登陆后，美国又研制了l v t p 5 、l v t p 7 、a a v 7 a 1 等履带式登陆人员输送车，其中l v t p 7 、从v 7 a 1 使用了喷水推进器，在对车体线型作了较大改进后，航速为1 3 5 k m h ，达到了排水车型的很高水平。1 9 8 8 年美国开始研制的a 从v 两栖车辆，综合比较了水翼型、排水型和滑水型等方案的性能后，最终选择滑行车辆方案，从目前样车的试验情况来看，在保证较高陆上性能的同时，滑行车辆的水上速度己达到4 6 k m h 。我国研制和装备部队的两栖车辆主要有：6 3 式轻型坦克和w z 5 0 1 步兵战车0 1 ，6 3 式轻型坦克仿照前苏联i i t 一7 6水陆坦克设计，采用喷水推进，水上最大速度1 1 k m h ，w z 5 0 1 步兵战车仿照前苏联b m i i l 步兵战车设计，水上速度只有6 - 7 k m h 。目前我国正在研制的新型两栖车辆选择了滑行车辆方案，性能有较大提高。本文的研究对象也以滑行车辆为研究目标，探讨该方案下的水阻计算方法、阻力变化规律、车辆设计方案及其相关系统参数的优化等基本问题。1 3 两栖车辆水上阻力的组成及计算方法1 3 i 两栖车辆的水上阻力组成 3 1两栖车辆在水面上航行时，其受到的阻力总值置可分为空气阻力r 。和水阻力r 术两部分，但因为空气的密度仅为水的i s o o ，空气阻力所占总阻力的份额不超过5 ，因此两栖车辆所受到的水阻力是研究的重点。设某时刻两栖车辆与水相接触的的浸湿面面积为s ，对于任一微元浸湿表面幽，其中心点处的水动应力为芦，则整个车体所受到的水动力可表示为：7第一章绪论氟= 肚如果固定于两栖车辆上的坐标系的x 轴沿运动的反方向，y 轴指向右侧，z轴竖直向上，则水动力的x 轴分量级为水阻力r ：置= f 耐c o s ( 五j ) 凼( 1 2 )图1 i 表面应力表示将西分解为沿凼法线方向的压应力元和沿着通过凼中心点之流线的切线方向的切应力磊，则置= 【陂j c o s ( 元，j 冲- 4 - 【矧c o s ( 磊，i ) 凼( 1 3 )从1 3 式看出，同任何船舶一样，两栖车辆所受到的水阻力可分为两部分，即压应力在x 轴上的投影沿整个车体浸湿表面上的积分，称此部分阻力为压差阻力或压阻力，记为冠：另一部分则是切应力在x 轴上的投影沿整个车体浸湿表面上的积分，称此部分阻力为摩擦阻力，记为r ，。压差阻力，顾名思义是因为车体前后、左右、上下受到的水压不同而形成的阻力，造成水压不同的原因可以为流体具有粘性或者流体具有重量且存在自由表面，其中因为粘性造成的压差阻力称之为粘压阻力，可见粘压阻力既与粘性有关，又与压力有关，粘压阻力又分为形状阻力和诱导阻力，形状阻力是因为车体边界层的存在引起的车体沿流向的压强梯度所致，诱导阻力是车体沿流向涡旋所引起的压差阻力；因为流体重量和自由表面形成的阻力称之为兴波阻力，对于滑行车体还有喷溅阻力“，。此外，两栖车辆载水中作不定常运动时或者两栖车辆车体沿运动方向变化较大，还会受到非定常阻力，即虚质量力，这也是一种压差阻力。两栖车辆所受到的水阻力可用图1 2 所示。对于两栖车辆来说，在总阻力中所占份额较多的是摩擦阻力、形状阻力、兴波阻力和喷溅阻力( 对于滑行车体) ，如果在滑行车体侧边安装水翼平板的话，还需要考虑水翼平板的诱导阻力。在船舶上，为了进行模型换算，还将船舶受到的除摩擦阻力以外的阻力称为剩余阻力【3 】，并认为摩擦阻力仅与霄诺数j k 有浙江大学博士后研究报告喷溅阻力非定常阻力图1 2 两栖车辆所受水阻力组成关，而剩余阻力仅与弗汝德数f ，有关。两栖车辆车体的结构不同，在水上的航行速度不同，它受到的阻力也不同，并且各阻力成分也是在不断变化的。摩擦阻力具有如下表达式 3 1 ：毛= 三孵+ ) 2 s其中：r ，：摩擦阻力5c ：光滑相当平板摩擦阻力系数；c 。：粗糙度补贴系数；( 1 4 )p ：水的密度；v ：车速；s ：车体的湿水面积。从这个表达式可看出，摩擦阻力与两栖车辆速度的平方成正比，因此，如果车辆在水面上可以起飞的话，由于受到水动压力的作用，车体会被抬起，湿水面积可减少，但摩擦阻力仍然会增加。兴波阻力和喷溅阻力是滑行车体剩余阻力的主要成分，其中在车辆起飞阶段，兴波阻力占主要成分，随着速度的提高，兴波阻力会逐渐减少，喷溅阻力逐渐增加，对于水面船舶，最大兴波阻力系数所对应的长度弗汝德数丹= o 5 3 1 ，兴波阻力所占剩余阻力的比重随车体长度弗汝德数的变化情况如图1 3 所示【4 1 ，其中置，为车辆的兴波阻力，且为剩余阻力，为浸湿长度。从文献【5 】可知，考虑车辆兴波时，控制方程度的边界条件是非线性的【5 ，6 1 ，求解这样的方程组是很困难的，这也意味着两栖车辆的兴波阻力是很难计算的，特别是在车辆起飞阶段，因为此时它既受到兴波阻力和水动压力产生的喷溅阻力；在车辆完全起飞后，喷溅阻力占绝对多数，可以将此时车体( 不考虑行动部分) 受到的阻力近似转化为车体重量沿前进方向的相反方向的分量进行计算，即墨= a t a n a其中：9( 1 5 )力力阻阻状导形诱，j、【力力阻阻压波粘兴力力阻阻擦差摩压，l_-_，、li，-_l力阻水第一章绪论：车体重量；图1 3 兴波阻力随长度弗汝德数的变化曲线口：车体攻角。同高速船舶不同的是，两栖车辆行动部分在不收起的情况下将受到较大的形状阻力和摩擦阻力。负重轮、平衡肘、悬挂系统、车轴、履带等造成的漩涡给车辆带来较大的阻力，目前的两栖车辆设计一般将行动部分收起，并在侧边增加挡水板，可以减少车辆的水上阻力。但收起后行动部分阻力从理论上也是很难计算的。1 3 2 两栖车辆的水上阻力计算方法两栖车辆在水上滑行时的阻力受多个方面的影响，如车体尺寸、几何形状、波浪尺度、航速等，要对车辆的阻力进行精确计算比较困难。由于两栖车辆在水上的滑行运动状态和滑行艇类似，因此，其阻力计算方法可进行借鉴。根据产品设计过程中对阻力值准确程度的要求不同，阻力计算方法有 3 , 4 1 ：利用现有车辆的统计资料进行估算，这种方法粗略简便，可用来迅速估计两栖车辆在水上行驶时所需要的主机功率，但由于两栖车辆不如滑行艇普及，目前可以见到的类似车辆资料较少；半理论半经验方法，也就是利用棱柱形滑行平板理论进行推导并参考试验资料修正的方法，这种方法既可反映物理实质的规律性，又可弥补模型过于简化造成的与实际情况的差别，根据计算流体动压力的方法，半理论半经验方法分为美国史蒂文斯实验室的s i t 法忉、前苏联中央流体动力中心的查洁法【8 l 、舒福德布朗方法 9 1 等，上述方法虽可用于两栖车辆的阻力计算，但又不完全匹配【l 们，显著差别是对于滑行艇，只有当容积弗汝德数岛= p 譬v 班( 其中y 为航速( m s ) ，v 为排水体积( m 3 ) ) 大于3 对才能进入全滑行状态，此时的升力和阻力计算公式才可以适用，事实上由于车辆结构等方面作了改进，美国研制的a a a v 样车在弗汝德数为2 3 时就进入了全滑行1 0j”。岍”幡寸，(g浙江大学博士后研究报告状态，可见滑行艇的阻力计算理论还不能完全用于两栖车辆的阻力计算，这其中可能需要新的理论和方法，此外，车辆行动部分造成的水上阻力很难进行计算，一般是采用模型修正的方法；利用系列试验图谱进行计算，这是以模型系列试验为基础，数据比较可靠，但要求车辆的形状和试验车型一致，这种方法目前还难于应用；模型的拖曳试验法，这种方法需要制作车辆的模型，在满足相似性条件前提下，模拟车辆在水中所受到的阻力，该方法虽然比较可靠，但需要耗费较多的财力和时间，并且有详细的设计模型，这在车辆概念设计阶段不易实施。综上所述，为了设计水上高速航驶的两栖车辆，目前还没有合适的阻力计算方法。由于两栖车辆的结构和工作要求限制，滑行车体方案是目前比较可行的设计方案，如何在设计阶段计算两栖车辆的水动升力，以期降低两栖车辆的起飞速度，从而实现高速航驶是研究的关键之一。为了能找到实现上述目标的两栖车辆车体设计方案，在理论分析上有必要对两栖车辆进行一定的简化，得出可行的动升力计算方法；在物理仿真上，简化一些物理现象，用数值方法计算两栖车辆的水上性能。1 4 水上性能的数值计算方法理论上，任何物体在流体中的绕流阻力模型都可以简化为一组偏微分方程，这些偏微分方程可通过流场网格划分，采用数值方法进行求解。计算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 就是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析 i m 2 1 ，c f d 的快速发展代替了经典力学中的近似计算方法和图解法，作为一种设计工具，它在水利工程、土木工程、航空航天、海洋工程、食品工程等得到了成功应用 1 2 , 1 3 。用数值方法计算两栖车辆的水上性能所涉及的问题主要包括：粘性流体力学：由于水和空气都是有粘性的，因此车辆受力问题满足一般粘性流体力学的基本规律，即连续性方程和运动方程( n s 方程) ，除此之外，还需要特别注意的是：湍流理论：要进行两栖车辆的高速模拟计算，其雷诺数都比较大，并且车体结构不规则，这样车体周围的湍流严重，采用什么样的湍流计算理论对仿真结果的准确性非常重要，目前比较成熟的和商用软件中已经实现的湍流仿真计算方法如图1 4 所示，结合本文所要研究的问题及现有试验条件，主要选择了两方程模型的量一占标准模型和r e a l i z a b l e k 一占模型进行计算，有关这些模型的具体方程在本文的后续章节中将有介绍；第一章绪论湍流数值模拟方法直接数值模拟( 西- 喇蹦啊岫嘻a 一盛删幽自妇_ )大涡模拟( t e s )非直接数值模拟 凰棚平统计平均法拗模斟怒舞鬻惹叫纛 蒌奎鼷型i 其它两方程模型图1 4 湍流数值模拟方法边界层理论【1 4 】：由于水和空气都是有粘性的，在车体周围很薄的一层内有边界层存在，并且车体从前到后流动由层流边界层逐渐过渡到湍流边界层，边界层内的雷诺数小，上述湍流数值模拟方法不适用，如果采用低r e 数j 一占模型将耗费大量的计算机资源，本文主要采用壁面函数法进行仿真计算，并根据湍动能产生项g t 和耗散率占相等的假设来划分网格；多相流体力学：车辆在水面上航驶时，存在水和空气两种介质，是一种典型的多相流体力学问题，在仿真计算时并不考虑空气和水的可压缩性，主要是查看水线变化对车辆水上性能的影响；本文的多相流仿真主要采用v o f ( v o l u m eo f f l u i d ) 模型进行计算，这种模型假定水和空气是互不穿越的，但车辆高速行驶时，喷溅的水雾和空气可能会充分混合，并且车体前面的艏滑板也可能将一部分空气压入车底，这些都使得v o f 模型不再使用，但它们对车体的受力影响不大；网格划分理论【l5 】：流场的离散是进行数值计算的基础，网格划分的质量直接关系到计算结果是否收敛、准确，目前软件中的网格划分方法主要有前沿推进法、d e l a u n a y 方法等网格划分方法，由于车体结构比较复杂，使用结构化网格进行划分比较困难，非结构化四面体网格又消耗大量的计算机资源，为此选用了结构网格和非结构网格相结合的混合网格划分方案，其中非结构网格部分采用前沿推进法，结构网格部分选用“扫”( c o o p e r ) 方法：数值离散及方程求解【l l 】：根据应变量在节点之间的分布假设和推导离散方程的不同，就形成了有限差分、有限元和有限体积法等数值离散方法，由于有限体积法兼有有限元法( 应变量弘，在网格节点之间的变化规律) 和有限差分法( 只考虑网格点上应变量的数值) 的特点，因此它收敛数度快，因而在c f d 领域得到了广泛应用，有限体积法中的微分离散格式有中心差分、一阶迎风、二阶迎风、q u i c k 格式等；根据离散后方程组的求解顺序不同可分为如图1 5 所示的数值解法，其中广泛应用的压力修正法又可分为s i m p l e 、s i m p l e r 、s i m p l e c 、p i s o 等算法，这些算法都适合于稳态和1 2浙江大学博士后研究报告瞬态问题的求解，方程组的求解目前广泛使用基于多重网格的t d m a ( 强- - d i a g o n a lm a t r i x a l g o r i t h m ) 解法。流场数值解法f 所有变量全场联立求解耦合式解法 部分变量全场联立求解l 局部地区所有变量联立求解产始变叫雾主：薹景爹分离式解法f 压力修正法l 原始变量法 解压力泊松方程法1 人为压缩法图1 5 流场数值解法分类由上面简要介绍可知，c f d 涉及较多的学科，由于项目时间要求紧迫，并且所研究的对象很复杂，在短时间内开发出高质量的软件比较困难，一般使用商用软件。目前通用和专用的软件都比较多，如f l u e n t 、c f x 、p h o e n i c 、s t a r c d等，适用于船舶领域的专用软件有s h i p f l o w 、s p l a s h 等。通用商用软件大多使用了有限体积法，并且在方程求解算法上做了大量改进，但由于本文研究的问题复杂，所消耗的计算资源仍然比较大，专用软件s h i p f l o w 贝1 针对船舶把流场分成了三大区域( 图1 6 ) 【l “，其中z o n e1 ：采用具有线性、非线性自由表面边界条件的高阶面元法，z o n e2 ：对于层流、湍流边界层采用动量积分法，z o n e3 ：采用雷诺平均的n a v i e r s t o k e s 方程，k - e p s i l o n 湍流模型求解，求解速度较快，但s h i p f l o w 不能进行动网格方面的计算，且软件价格昂贵，限制了它的使用。综合各种因素，选择了现在国内应用比较广泛的f l u e n t 作为计算工具。图1 6s h i p f l o w 中的三区计算理论从目前查到资料来看，北京理工大学f 2 j 、北京装甲兵工程学院 j7 】等单位对两栖车辆的航驶阻力进行了数值模拟，但模拟没有考虑车体行动部分，有的对车体结构也进行了简化，图1 7 、1 8 、1 9 是中国北方车辆研究所对两栖车辆的仿真计算n g 】，其中图1 7 和1 8 是恒定车速时的速度和压力分布，此方案没有将行动第一章绪论部分收起，且前面只加了挡水板，还不是艏滑板；图1 9 是车辆加速时的水相分布，此方案中已将行动部分收起，且车体前面加上了艏滑板，但履带等还是做了图1 7 车体前部的速度分布图1 8 车体压力分布大量的简化。从以上分析可看出，针对滑水设计方案的两栖车辆数值仿真国内还没有这方面的研究工作，且上述仿真大都是针对车体设计的验证，还没有将仿真计算和方案设计真正结合起来；此外由于测量困难，喷水推进器和车体之间的相互影响始终难以确定，本文将对这些问题进行深入探讨。1 4浙江大学博士后研究报告1 5 主要内容图1 9 车辆加速时的车体水相分布第一章简要介绍了两栖车辆的发展现状，指出了发展水上高性能两栖车辆的必要性，分析了两栖车辆在水上航驶时的阻力情况及其目前的阻力计算方法，概述了采用计算流体力学进行阻力数值计算的情况和2 0 1 所的计算结果。第二章采用势流理论推导了两栖车辆车体的升力性能，给出了几个不同截面的虚质量计算方法，以及整个车体的虚质量计算方法，该方法可以弥补概念设计阶段两栖车辆升力计算的不足；根据两栖车辆的尺度、重量、攻角等参数采用快艇升力和阻力计算方法进行了计算，说明了两栖车辆实现高速航驶的困难。第三章根据计算流体分析结果已接近试验数值的事实，以轮式两栖车辆的试验家经过作为主要的尺度，将采用近似模型和理论计算的结果与仿真和试验结果进行对比，确定可靠的数值计算方法，将这些方法用于履带式两栖车辆车体的数值计算，得出比较可行的两栖车辆车体设计方案。第四章将推进器对车体的水上性能影响进行了分析，给出了在仿真条件下进行计算推进器管道效率、系统效率的计算方法，确定了车体和推进器联合仿真计算的模型，仿真计算结果对于设计推进器的进水口、管道的设计等参数具有一定的意义。第五章对基于t r i z 的创新概念设计进行了扩展，针对复杂产品系统提出了性能驱动的两阶段协同产品概念设计方法，分别就两栖车辆的减少阻力和提高推进力两个问题进行了方案设计和参数验证，提出了面向性能的协同第一章绪论方案设计的资源表示方法及系统结构，给出了两栖车辆仿真计算资源模型。第六章对全文进行了总结，指出了需要进一步研究的内容和问题。浙江大学博士后研究报告第二章两栖车辆水上性能的理论研究2 1 概述在本文第一章中曾提及了四种计算快艇水上阻力的方法，有些方法如模型拖曳试验法等也可作为两栖车辆水上阻力的计算方法，但由于两起车辆不论是履带式还是轮式，其外形结构与滑行艇等快艇有着较大的区别，通过本章后面的计算就可以看出，快艇阻力的计算方法在两栖车辆上存在较大误差，这使得快艇试验积累下来的试验图谱、一些半理论半经验方法无法应用于两栖车辆，因此有必要根据两栖车辆的结构特点以及在水上的航行特点，采用一定简化方法推导新的适应于两栖车辆的水上性能计算理论。在本章中为了推导两栖车辆在水上快速航行时性能评价方法，有以下假定，认为流体介质，即水和空气，是不可压缩的，且不考虑航行过程中的热交换问题，因此( 如果假定车辆不动，则水和空气是是向车辆运动的相反方向流动的)流动满足运动学方程( 即连续性方程) 和动力学方程( 即n a v i e r - s o t k e s 方程，简称n s 方程) 。n - 一s 方程是一组二阶非线性偏微分方程组，对它的理论求解非常困难，故通常假设粘性项力和非粘性项力是相互独立的( 事实上它们并不独立，但相互影响项可以忽略不计) ，其中粘性项力采用边界层理论处理，而用势流理论来研究非粘性项力。用边界层理论计算粘性项力( 主要是摩擦力) ，在方法上目前已经比较成熟，文献中快艇摩擦阻力的计算方法也可以用到两栖车辆上来( 在本章第四部分给出) ，但是按照势流理论计算的升力和非粘性阻力则需要着重研究。2 2 车辆绕流的基本方程和边界条件采用势流理论来描述船舶的绕流时，拉斯方程和欧拉方程，即【4 】v 2 m = 0其运动学和动力学方程分别变为拉普( 2 1 )户警= 厉一印( 2 2 )其中，o 为势流函数，元为流体介质的质量力。流动在满足上述运动和动力学方程的同时，还具有如下边界条件，1 ) 物面边界条件第二章两栖车辆水上性能的理论研究的流体质点沿边界面法线方向之速度中。应等于边界面上相应点在其法线方向之速度k ，令物面边界方程为嘲f ( x , y ，z ，t ) = 0( 2 3 )其上质点的法向速度可为：k ：堡兰：垒兰兰( 2 4 )v 兰= i ! = = 三三= = = 一l z 耳j遗f ：a + f j - 七f ：- -其中k ，v ，匕，和 南，南，南 分别为物面上质点的速度在三个轴上的分量和该点的法向方向。物面方程是变化的，其对对间的全微分为：筹叱e4 - v y + v = 只= o( 2 5 )将式( 2 5 ) 代入式( 2 4 ) 得：( 2 6 )这就是满足物面边界条件的方程。2 ) 自由表面边界条件自由表面实际上是上述物面边界的特例，由于自由表面只有一个坐标是自由变化的，所以在物面边界的表达上采用式( 2 7 ) ，自由表面满足的另一个动力学条件是等压条件，将这两个条件综合后可得：e k z ，t ) - y = 0( 2 7 )詈畦孵+ 巧+ 哆) + g e 。( x 石r ) = o( 2 s )3 ) 空泡边界条件空泡边界条件，顾名思义是边界上出现空泡是所满足的条件，有詈+ 三孵+ 哆+ 哆) + 啦b o = 堡( 2 9 )其中p 。和p ，分别为标准大气压和发生气泡时的边界气压。浙江大学博士后研究报告4 ) 固壁边界条件固壁边界条件比较简单，即圪i 目t = 0( 2 1 0 )虽然两栖车辆在水上航行时，并不是所有的边界条件都满足，但自由表面边界条件是非线性的偏微分方程，这给方程的求解带来了较大困难，目前已有比较丰富的线性化边界求解方法，也有根据车体的特征线尺度弗氏数e 的大小，推导了高速小扰动、低速小扰动和高速大扰动等不同情况下简化方程组1 4 1 ，对于线性化的方程组，可以根据线性方程组所满足的叠加原理，采用常用的“奇点法”进行求解；也可以采用变量分离法求解势函数，或者根据车体的形状，如薄船、瘦长型车体，采用摄动理论进行求解势函数；最后如果不要求整个流场的速度和压力分布，只求车体上的作用力，则可方便的用动量( 能) 定理进行求解，本章就采用动量( 能) 定理，利用虚质量理论进行求解2 3 细长体理论所谓细长体是指物体的某个长度尺度超过其它尺度一个数量级【j9 】，两栖车辆在水面上滑行时，其艏艉滑板均展开后，长度在l o m 以上，宽在3 6 m 左右，水线高度在1 - 2 m 之间，所以两栖车辆在水上滑行时的浸湿长宽比比较大，可以采用细长体理论计算其受到的升力。此外，将升力面和升力线理论 2 0 l 应用到两栖车辆时都受到较大限制，因此可用处理细长翼的方法来处理滑行面，称之为滑行面的细长翼比拟。车体在水面上受到的流体动力按其成因可分为惯性成因力和粘性成因力。粘性成因力还不能完全用理论方法进行研究，所以只考虑惯性成因力，这个力量借助虚质量的变化进行求解。由流体力学知识可知，圆球在静止流体中作变速直线运动时将受到附加质量力，也即虚质量力【2 1 1 ，此虚质量是因为球体作变速运动产生的，事实上，边界面的物体在流体介质中作匀速直线运动时也会受到虚质量力的作用，这是因为不同截面的虚质量力不同所造成的，而两栖车辆在水面上滑行时，其存在一定的攻角，这导致车体从前到后，各截面的浸水深度不同，因而所受到的虚质量力也不同，据此我们可以计算车辆受到的升力和阻力。2 3 1 基于虚质量的升力求解设作用在出长度上的力为d p ，则由动量定理，单位长度上的力d p d x 等于1 9第二蕈两栖车辆水上性能的理论研究其上虚质量m 引起的动量变化翠，即石d p = d ( m o( 2 1 1 )将( 2 1 1 ) 式展开得：堡：，尘+v型：，查+vdmmm鱼( 一1 2 )=一+ v 一=一十v l 1 z ，出mmmc b cm其中冬_ t 圪c o s q * 圪，吒为断面处的局部攻角，由于攻角较小，所以( 2 1 2 )式可变为v = 圪s i n a