姜海寧，沈海龍，李云暉

（1.中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116600；2.哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

0 引言

在肥大型船的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)中，船首和船尾的線型是水動(dòng)力優(yōu)化的重點(diǎn)，尾部型線對(duì)槳盤(pán)面伴流場(chǎng)的影響研究已經(jīng)比較成熟。在船首型線設(shè)計(jì)中，作為減小興波阻力的有效手段之一，球鼻艏已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各類船舶，相關(guān)研究已經(jīng)比較成熟。但是球鼻艏對(duì)伴流場(chǎng)影響的研究往往被忽略，多數(shù)的研究側(cè)重在其減阻性能上，對(duì)于球鼻艏對(duì)伴流場(chǎng)的影響仍缺少認(rèn)識(shí)。事實(shí)上，球鼻艏對(duì)于槳盤(pán)面處的伴流也有明顯的影響，會(huì)影響船舶總的推進(jìn)效率，因此，球鼻艏的設(shè)計(jì)不僅要考慮減小阻力的作用，還要考慮球鼻艏對(duì)伴流的影響，這樣才能使球鼻艏的綜合效能達(dá)到最佳。

本文采用CFD技術(shù)，引入伴流目標(biāo)函數(shù)WOF（Wake Object Function），基于槳盤(pán)面伴流場(chǎng)伴流更均勻這一評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)某肥大型船球鼻艏開(kāi)展了數(shù)值選型研究，并通過(guò)對(duì)比分析得到一種伴流分布相對(duì)較好的球鼻艏方案。

1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

用于計(jì)算的商船船長(zhǎng) 172m，船寬30m，設(shè)計(jì)吃水9.5m，方向系數(shù)0.827，模型縮尺比的大小為1:29.197，橫剖面型線圖如圖1所示。計(jì)算模型采用GAMBIT軟件生成。由于船體是關(guān)于其中線面對(duì)稱的，而且本文計(jì)算的主要意圖是獲得船體后螺旋槳盤(pán)面處的軸向伴流分布，因此利用流場(chǎng)的對(duì)稱性，計(jì)算域可以使用疊模法進(jìn)行處理，也就是只計(jì)算半個(gè)船體所在的流場(chǎng)，這樣可以使計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)目減少一半以減少計(jì)算時(shí)間。合理的計(jì)算域?yàn)閺拇氖锥讼蚯把由?個(gè)船長(zhǎng)，從船的尾端向后延伸4個(gè)船長(zhǎng)，沿船的寬度方向向外延伸5個(gè)半寬，沿船的深度方向向下延伸7個(gè)吃水。

圖1 中橫剖面

本文網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式，靠近船體的部分劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在船體近壁區(qū)域劃分邊界層網(wǎng)格，并在螺旋槳盤(pán)面處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密[1-5]，如圖2所示，從而更好地捕捉伴流場(chǎng)，距離船體較遠(yuǎn)的部分劃分結(jié)果網(wǎng)格，以控制網(wǎng)格數(shù)目，劃分的計(jì)算域如圖3所示。

圖2 加密之后的尾部網(wǎng)格切面

圖3 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

2 軸向伴流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算及計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

在對(duì)計(jì)算域劃分網(wǎng)格之后，對(duì)邊界條件進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置如下：

1）速度入口為均勻流，流速為1.304m/s；

2）速度出口，設(shè)置為自由出口；

3）船體表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面；

4）設(shè)計(jì)水線和中縱剖面所在的平面設(shè)置為對(duì)稱面；

5）外場(chǎng)設(shè)置為自由滑移壁面。

本文采用CFX求解器和SSG雷諾應(yīng)力模型對(duì)尾流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，經(jīng)驗(yàn)證，該模型[6]在預(yù)報(bào)肥大型船尾流場(chǎng)上具有更高的精度。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的模擬精度，在槳盤(pán)面處取半徑為0.4R、0.7R、0.9R、1.0R、1.1R的多個(gè)圓環(huán)，每個(gè)圓環(huán)上每隔 10°取一個(gè)點(diǎn)，比較這些點(diǎn)上的軸向伴流分?jǐn)?shù)。比較計(jì)算得到的軸向伴流分?jǐn)?shù)與試驗(yàn)值[7]如圖4~圖8所示，圖中的0°在槳盤(pán)面正上方，180°在其正下方。

圖4 0.4R處的伴流分布

圖5 0.7R處的伴流分布

圖6 0.9R處的伴流分布

圖7 1.0R處的伴流分布

圖8 1.1R處的伴流分布

由圖4~圖8可得，該肥大型船軸向伴流分?jǐn)?shù)的預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值總體吻合良好，除在0.4R處的預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差較大外，其他位置的伴流分?jǐn)?shù)預(yù)報(bào)結(jié)果基本與試驗(yàn)值一致，從而證實(shí)本文所采用的伴流場(chǎng)預(yù)報(bào)方法具有較好的適用性，可用于進(jìn)一步開(kāi)展球鼻艏數(shù)值選型研究。

3 不同球鼻艏對(duì)應(yīng)的伴流場(chǎng)的對(duì)比

3.1 球艏的主要參數(shù)

由于方形系數(shù)在0.8以上的肥大型船平行中體占了船體的大部分，因此本船的修改球鼻艏的原則是保持主尺度系數(shù)基本不變，對(duì)船首的線型做局部改型。在參考了有關(guān)船型修改的文獻(xiàn)[8]之后，建立的幾個(gè)球鼻艏樣式的主要參數(shù)如表1所示，其中Ab是首柱處的球鼻艏剖面面積，AM船中橫剖面的面積，L是球鼻艏的最前部到首柱的距離，LPP是船的垂線間長(zhǎng)，h是球鼻艏最前點(diǎn)和靜水面的距離，T為船的吃水，bmax是首柱處球鼻艏剖面的最大寬度，B為船的寬度。首部形狀的剖面圖如圖9所示。

表1 球鼻艏的主要參數(shù)

圖9 球鼻艏剖面圖

3.2 伴流場(chǎng)的定量比較

對(duì)于各改型球鼻艏船模，網(wǎng)格劃分和計(jì)算域的邊界條件等參照前文所述，從圖4~圖8預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出，半徑為0.4R處的伴流分?jǐn)?shù)與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相差較大，因此半徑為0.4R處的預(yù)報(bào)結(jié)果參考價(jià)值不大。為了方便對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，在每艘改型船的槳盤(pán)面處各取半徑為 0.7R、0.9R、1.0R、1.1R的多個(gè)圓環(huán)，每個(gè)圓環(huán)上每隔 10°取一個(gè)點(diǎn)，比較這些點(diǎn)上的軸向伴流分?jǐn)?shù)。計(jì)算得到的各艘改型船的槳盤(pán)面處軸向伴流分?jǐn)?shù)的比較如圖 10~圖 13所示。由圖10~圖13可以看出，改型3和改型2的伴流分布均比母性船好，改型1的伴流分布與母性區(qū)別不很顯著。

圖10 0.7R處的伴流分布

圖11 0.9R處的伴流分布

圖12 1.0R處的伴流分布

圖13 1.1R處的伴流分布

3.3 伴流場(chǎng)均勻性的判斷

目前，對(duì)于伴流的均勻程度并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的判別標(biāo)準(zhǔn)，大部分的衡準(zhǔn)值考慮了伴流的主要方面，本文采用的是WOF方法[9]。伴流目標(biāo)函數(shù)WOF方法主要衡量得失軸向伴流的均勻性，其值越小說(shuō)明伴流越均勻，定義如式（1）所示。

由式（1）可知，為了得到某船型的WOF值，首先應(yīng)在4/7R、5/7R、6/7R和R的位置上從0°~350°每隔 10°取一點(diǎn)，得到該點(diǎn)的伴流值。然后按照式（1）計(jì)算得到該球鼻艏樣式下的WOF值。本文設(shè)計(jì)的球鼻艏對(duì)應(yīng)的各船型計(jì)算得到的WOF值如表2所示。從表2中可以直觀的看出，改型3的軸向伴流最為均勻。

表2 各船型的WOF值

4 結(jié)論

本文采用 CFD技術(shù)首先預(yù)報(bào)了某肥大型船的伴流場(chǎng)，通過(guò)與試驗(yàn)值的對(duì)比驗(yàn)證了該數(shù)值預(yù)報(bào)方法的可靠性，在此基礎(chǔ)上，以該球鼻艏為基礎(chǔ)，修改了球鼻艏參數(shù)，預(yù)報(bào)了不同球鼻艏對(duì)應(yīng)的伴流場(chǎng)，并使用WOF方法來(lái)衡量不同球鼻艏方案對(duì)應(yīng)的軸向伴流均勻情況，通過(guò)對(duì)比分析得到一種伴流分布相對(duì)較好的球鼻艏方案。本文的研究表明，球鼻艏對(duì)伴流場(chǎng)的影響顯著，在船舶設(shè)計(jì)中除了考慮球鼻艏對(duì)阻力的影響外，還應(yīng)兼顧考慮其對(duì)伴流場(chǎng)的影響，從而使設(shè)計(jì)的球鼻艏既能減小船舶的興波阻力，又能進(jìn)一步提高其推進(jìn)效率。

[1] 沈海龍, 蘇玉民. 某散貨船導(dǎo)流鰭設(shè)計(jì)與節(jié)能效果預(yù)報(bào)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 34(1): 71-76.

[2] 沈海龍, 蔡昊鵬, 蘇玉民. 肥大型船整流附體的性能研究[J]. 船舶力學(xué), 2012, 16(4): 359-367.

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[4] 沈海龍, 蘇玉民. 基于滑移網(wǎng)格技術(shù)的船槳相互干擾研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 31(1): 1-7.

[5] 沈海龍, 蘇玉民. 肥大型船伴流場(chǎng)數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分方法研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2008(11):1190-1198.

[6] 沈海龍. 船體與節(jié)能附體及螺旋槳的非定常干擾[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2009.

[7] Yin Xiao-jun. CALM WATER MODEL TESTS FOR A 35000DWT BULK CARRIER[R]. 2012.

[8] 次洪恩. 船體阻力數(shù)值計(jì)算在肥大船型球鼻艏優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 船舶, 2009(1): 24-29.

[9] Auke Van Der Ploeg M H. Optimization of a Tanker Afterbody using PARNASSOS[R]. Paper of VIRTUE project, Netherlands, 2008.