1 引 言

三體船的形式多種多樣，一般來(lái)說(shuō)，典型的三體船水下部分由中間主體和對(duì)稱布置于兩側(cè)的側(cè)體共3個(gè)細(xì)長(zhǎng)片體組成，中間主體長(zhǎng)寬比大約在12～18之間，側(cè)體長(zhǎng)寬比一般大于20，主體排水量占總排水量的85%～95%。由于三體船具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因此無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域，世界各國(guó)都投入了大量研究[1,2]。相關(guān)文獻(xiàn)表明，側(cè)體布置位置對(duì)三體船的阻力性能影響較大，在航行時(shí)主、側(cè)體之間產(chǎn)生相互干擾，如果側(cè)體位置適當(dāng)，可以降低阻力。結(jié)合三體船的阻力性能來(lái)研究側(cè)體布局是三體船船型優(yōu)化的重要內(nèi)容之一。在國(guó)內(nèi)，三體船阻力計(jì)算方法多為基于線性興波理論的理論計(jì)算，這種方法計(jì)算方便，但難以說(shuō)明對(duì)船型的敏感度。而隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，三維粘性流RANSE方法在多體新船型水動(dòng)力性能方面的計(jì)算應(yīng)用日趨增多，它能較精確地預(yù)報(bào)多體船阻力及求解其周圍特別是尾部流場(chǎng)細(xì)節(jié)。本文即針對(duì)某三體船初步方案將CFD技術(shù)應(yīng)用到不同的側(cè)體布局方案的三體船阻力性能研究中，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較，然后在此基礎(chǔ)上從計(jì)算方案中選出優(yōu)選方案。

2 船池模型方案數(shù)值模擬

2.1 船池幾何模型

側(cè)體布局可由側(cè)體相對(duì)于主體的橫向、縱向位置b、L表示(圖1)，b為主體和側(cè)體中縱剖面之間的距離，L為主體和側(cè)體中橫剖面之間的距離。

圖1 三體船主、側(cè)體相對(duì)位置

船池試驗(yàn)三體船型的主、側(cè)體之間的位置關(guān)系為：b為1.34Bwl，L為0.29Lpp，Lpp為主體垂線間長(zhǎng)，Bwl為主體設(shè)計(jì)水線寬。模型總長(zhǎng)度約為5 m，吃水為0.2 m，以船池模型按1∶1建立用于計(jì)算的幾何模型。

2.2 數(shù)值模型

考慮到三體船左右對(duì)稱，本文取右舷一側(cè)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算區(qū)域?yàn)橐婚L(zhǎng)方體，計(jì)算區(qū)域入口取主體艏部向上游延伸至1倍主體船長(zhǎng)處、出口取艉部向下游延伸至3倍主體船長(zhǎng)處；區(qū)域左邊界為對(duì)稱面(主體縱中剖面)；區(qū)域右邊界是由對(duì)稱面向右舷方向延伸0.5倍主體船長(zhǎng)[3]；計(jì)算區(qū)域高度約0.8倍主體船長(zhǎng)，區(qū)域上邊界取設(shè)計(jì)水線面向上約4倍吃水高度處。

本文采用空間全六面體網(wǎng)格來(lái)劃分計(jì)算區(qū)域，在對(duì)網(wǎng)格相關(guān)參數(shù)設(shè)置時(shí)，對(duì)計(jì)算敏感區(qū)(船體壁面附近、尾流區(qū)、外形曲率大的表面處)的網(wǎng)格進(jìn)行加密，即在近船體區(qū)域設(shè)定較密的網(wǎng)格，然后以一定的膨脹系數(shù)外推，以滿足計(jì)算需要。網(wǎng)格劃分見圖2、圖3。

圖2 計(jì)算區(qū)域計(jì)算局部網(wǎng)格

圖3 計(jì)算區(qū)域表面的網(wǎng)格劃分

對(duì)所有未知變量，合理地給出邊界條件是進(jìn)行模擬計(jì)算的必要條件。計(jì)算域的邊界條件分為速度進(jìn)口、壓力出口、自由滑移壁面、對(duì)稱面及不可滑移壁面。給定初始自由表面及水和空氣的體積分?jǐn)?shù)。計(jì)算中選取6個(gè)速度點(diǎn)。

2.3 控制方程和湍流模型

三體船粘性流場(chǎng)的連續(xù)方程和動(dòng)量方程為：

(1)

(2)

+Gk-ρε

(3)

(4)

(5)

式中，Gk為湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；μt為湍動(dòng)粘度；ε為湍動(dòng)耗散率；k為湍動(dòng)能；Cμ等經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

2.4 自由表面數(shù)值模擬

本文計(jì)算對(duì)象為排水型船舶，需要考慮自由表面問(wèn)題，對(duì)繞船體自由表面粘性流進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，處理自由表面的數(shù)值方法有很多。HIRT和NICHOLS于1981年提出了流體體積方法(VOF)[4,5]。該方法通過(guò)定義一個(gè)流體體積函數(shù)F，用F來(lái)標(biāo)志每個(gè)網(wǎng)格單元的狀態(tài)，F(xiàn)的值等于一個(gè)單元內(nèi)流體體積與該單元體積之比。若F=1，則說(shuō)明該單元全部為指定相流體所占據(jù)；若F=0，則該單元為無(wú)指定相流體單元；當(dāng)0

(6)

VOF法用F函數(shù)描述自由表面的變化過(guò)程，是目前研究自由表面問(wèn)題的方法中應(yīng)用較廣泛并且較為理想的方法。本文采用VOF法來(lái)模擬自由表面。

2.5 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)總阻力計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行比較分析，圖4給出總阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較曲線。

圖4 船池模型總阻力比較曲線

由圖4可以看出：

1) 計(jì)算所得的靜水阻力曲線和試驗(yàn)所得曲線發(fā)展趨勢(shì)基本上一致，大體上能較好地反映三體船模型在靜水中航行時(shí)的阻力特性。

2) 計(jì)算得到的三體船總阻力與模型阻力試驗(yàn)得到的總阻力在航速較低時(shí)比較接近，即CFX軟件對(duì)于模擬低速情況下的三體船阻力還比較理想；而隨著航速的增加，總阻力系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值產(chǎn)生偏差。從整個(gè)模擬結(jié)果看，模擬計(jì)算值要比試驗(yàn)值小。

在應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)船舶流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差的原因可能涉及到很多因素。針對(duì)模擬時(shí)的實(shí)際情況，主要影響原因可能包括：

1) 在進(jìn)行船池模型試驗(yàn)時(shí)，在船模艏部安裝了激流絲。而在應(yīng)用CFD技術(shù)模擬船模阻力時(shí)未考慮安裝激流絲對(duì)船模阻力產(chǎn)生的影響，從而使得模擬計(jì)算值與船池模型試驗(yàn)值存在差異。

2) 對(duì)于湍流模型參數(shù)值的選取，計(jì)算過(guò)程中均采用該軟件推薦值，而這些值是商用軟件公司為了程序通用而給定的值，可能對(duì)于模擬三體船在高、低速時(shí)的流場(chǎng)特征不一定都適合。

通過(guò)以上計(jì)算分析，可以看出整個(gè)計(jì)算過(guò)程是穩(wěn)定的，可見用CFD技術(shù)研究三體船的阻力性能是可行的，并且可以通過(guò)修改模型參數(shù)等來(lái)獲得針對(duì)特定狀態(tài)的計(jì)算模型，為下一步如何進(jìn)一步提高多布局方案的總阻力計(jì)算精度奠定基礎(chǔ)。

3 三體船多方案繞流場(chǎng)數(shù)值模擬

3.1 三體船側(cè)體布置方案

為了掌握三體船的阻力特征，尤其是側(cè)體位置對(duì)阻力的影響，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方案優(yōu)選，確定了側(cè)體縱、橫向位置各3個(gè)[6-10]，由此得到9個(gè)模擬方案,這9個(gè)側(cè)體布置位置方案見表2。

表2 三體船側(cè)體位置方案

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)表2中9個(gè)方案的數(shù)值模型均參照船池試驗(yàn)方案數(shù)值模型的相關(guān)設(shè)定來(lái)建立。文中模擬了這9個(gè)方案分別在5個(gè)航速下的粘性自由面流動(dòng)。

1) 橫向位置b相同時(shí)各方案的總阻力比較

圖5反映了保持側(cè)體橫向位置b不變而改變縱向位置L時(shí)各方案總阻力計(jì)算值的變化情況。

圖5 三體船各方案總阻力計(jì)算曲線

從圖5可以看出：

(1) 每組圖中的阻力曲線均有交叉現(xiàn)象，這說(shuō)明對(duì)于橫向位置b相同時(shí)的3個(gè)方案，在不同的航速下，對(duì)應(yīng)的阻力性能較優(yōu)的方案不同。

(2) 在Fr增大到一定值后，方案7、8、9的阻力性能分別優(yōu)于各自對(duì)應(yīng)的同組的其他2個(gè)方案。方案7、8、9是縱向偏移位置L相同(L/Lpp=30%，見表2)的3個(gè)方案且位置靠近主體尾部。

2) 同一航速下各方案總阻力系數(shù)比較

圖6 三體船各方案總阻力系數(shù)比較

圖6給出了在各航速下三體船各方案的總阻力系數(shù)計(jì)算值的變化情況。從圖6可以看出，在速度較低時(shí)，側(cè)體橫向位置的變化對(duì)三體船總阻力的影響比較小，側(cè)體縱向位置對(duì)三體船的總阻力影響相對(duì)較大。在不同的航速下，對(duì)應(yīng)的阻力性能較優(yōu)的方案不同。

根據(jù)以上對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析，可以得出：

(1) 側(cè)體縱向位置變化對(duì)三體船阻力性能的影響較大，而在縱向位置保持不變時(shí)，側(cè)體橫向位置的變化對(duì)三體船總阻力的影響較小。而且難以得出不同速度時(shí)阻力性能都十分理想的側(cè)體布局。

(2) 對(duì)于相同的側(cè)體橫向位置，在較高速度段側(cè)體縱向向后布置對(duì)三體船阻力性能更有利，而在速度相對(duì)較低的某一速度段內(nèi)，側(cè)體縱向位置向前布置對(duì)三體船阻力性能更有利。

(3) 由于難以得出不同速度時(shí)阻力都十分理想的側(cè)體布局，因此從阻力性能的角度應(yīng)根據(jù)常用的航速(如設(shè)計(jì)航速或常用工況等)布置三體船的側(cè)體位置。對(duì)于這9個(gè)方案，假定在設(shè)計(jì)航速時(shí)Fr=0.39，為此主要考慮在該航速下的優(yōu)選結(jié)果。比較計(jì)算結(jié)果并考慮總布置要求以及其它因素可以知道，方案8的阻力性能較優(yōu),即方案8為優(yōu)選方案。并且文中得出的三體船側(cè)體位置對(duì)三體船總阻力的影響規(guī)律和相似船型的模型試驗(yàn)結(jié)論一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

三體船在軍民兩用方面均具有良好的應(yīng)用前景，國(guó)外對(duì)三體船進(jìn)行了大量研究及應(yīng)用開發(fā)。近年來(lái)我國(guó)一些高校和科研院所也在三體船阻力理論和模型試驗(yàn)研究方面取得了一些進(jìn)展。本文在考慮自由表面效應(yīng)的前提下，模擬了三體船主、側(cè)體不同相對(duì)位置時(shí)在不同航速下的粘性流場(chǎng)，通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行多方案選優(yōu)。計(jì)算分析表明應(yīng)用CFD技術(shù)可以有效地預(yù)報(bào)三體船流場(chǎng)特征及阻力，從而輔助進(jìn)行三體船船型設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，不失為一種提高研究開發(fā)效率的實(shí)用途徑，有著重要的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1] 黃德波.若干高速與高性能排水式艦船船型的近期發(fā)展[C]∥中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)及中國(guó)造船工程學(xué)會(huì).第七屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第十九屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)論文集(上冊(cè)).北京：海洋出版社，2005.

[2] 盧曉平，酈云，董祖舜.高速三體船研究綜述[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,17(2):43-52.

[3] ZHANG Zhirong,ZHAO Feng,LI Baiqi.Numerical calculation of viscous free-surface flow about ship hull[J]. Journal of Ship Mechanics,2002,6(6)：10-17.

[4] 張健，方杰，范波芹.VOF方法理論與應(yīng)用綜述[J].水利水電科技進(jìn)展，2005，25(2)：67-70.

[5] QI Peng,HOU Yijun.A VOF-based numerical model for breaking waves in surf zone[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology,2006,24(1)：57-64.

[6] 李云波，馮國(guó)泰.三體船黏流數(shù)值模擬[C]∥第七屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第十九屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)論文集，哈爾濱，2005.

[7] 李培勇，裘泳銘，顧敏童，等.三體船阻力模型試驗(yàn)[J].中國(guó)造船，2002，43(4):6-12.

[8] 何術(shù)龍，李百齊，程明道，等.三體船船型分析及興波干擾的模型試驗(yàn)研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2006，21(1)：122-129.