李 超 鄭建麗 張 怡 楊高勝

（農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所 上海200092）

引 言

燃油成本在漁船捕撈中占有很高比重，開發(fā)性能優(yōu)越的船型、提升船舶的快速性指標、節(jié)能減阻降耗已成為新型漁船設計領域必做的研究內(nèi)容［1］。在現(xiàn)代船舶設計中，球鼻艏已廣泛應用于各軍用和民用船舶中，適當?shù)那虮囚伎捎行У販p小興波阻力，在漁船領域球鼻艏的應用也越來越廣泛。球首的形狀可以變化出很多種，常見的球鼻艏形式有撞角型、水滴型和S-V上翹型共三種，不同船型會選擇不同形式的球鼻艏，而不同形式的球鼻艏對阻力性能的影響也各不相同［2-4］。采用傳統(tǒng)的模型試驗方法，國內(nèi)學者對于漁船使用球鼻艏進行減阻研究已取得一定的成果［5-6］，但模型試驗法存在耗費大、周期長且不可重復利用的缺點。近年來，隨著計算機硬件不斷升級，計算流體力學（CFD）也得到快速發(fā)展，CFD技術已成為船舶水動力性能研究的重要手段，并逐漸應用到漁船領域。本文以一條新設計的金槍魚延繩釣漁船為研究對象，設計三種不同形式的球鼻艏。通過CFD方法分別對其船體阻力性能進行數(shù)值模擬，并通過比較得出一種適用于該型金槍魚延繩釣漁船具有較好減阻效果的球鼻艏形式。

1 CFD控制方程

船模在靜水中以速度V作勻速直線運動，模擬過程中假定船模靜止，遠方來流以相對船模的-V速度勻速流動，且流體為不可壓縮。本文采用Flow-3D軟件進行數(shù)值模擬，用VOF法追蹤自由液面，采用N-S方程建立三維RNGk-ε數(shù)學模型，控制方程如下［7］：

連續(xù)性方程：

動量方程：

湍動能k方程：

湍流耗散率ε方程：

式中：u、v、w是在x、y、z三個方向上的速度分量；Ax、Ay、Az表示x、y、z三個方向的面積分數(shù)；Gx、Gy、Gz為x、y、z三個方向的重力加速度；fx、fy、fz是三個方向的粘滯力；VF是可流動的體積分數(shù)；ρ是流體密度；p是作用在流體微元上的壓力；k為湍動能；ε為湍流耗散率；μ為動力粘性系數(shù)；；Gk為湍動能k的產(chǎn)生項，分別為湍動能和湍流耗散率所對應的普朗特數(shù)，均為1.39；是經(jīng)驗常數(shù)，分別為 1.42、1.68。

2 數(shù)值模擬及驗證

2.1 計算域選取及網(wǎng)格劃分

本文計算模型取自一艘新設計的49.5 m金槍魚延繩釣漁船，船體主尺度見表1，首先為該船設計了撞角型球鼻艏（如圖1所示），數(shù)值模型根據(jù)拖曳水池船模大小建立，縮尺比為1∶12，計算區(qū)域取船首和船側(cè)1倍船長、尾部4倍船長、底部以下1倍船長。由于船體結構的對稱性，為節(jié)約計算時間本文取船體半寬進行模擬，模型和計算域如圖1和圖2所示。

表1 船體主尺度

圖1 船體計算模型

圖2 計算域網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬計算最關鍵的一步，F(xiàn)low-3D通過有限差分法和其自帶的FAVOR技術相結合的方法進行網(wǎng)格劃分，與傳統(tǒng)的有限差分法相比，F(xiàn)low-3D的網(wǎng)格更貼近于實際模型，其網(wǎng)格劃分以結構化網(wǎng)格為基礎，裁剪出一部分網(wǎng)格來表示光滑的曲面，F(xiàn)AVOR技術利用簡單的矩形劃分來比擬復雜的幾何體，容易生成網(wǎng)格且計算精度高，處理網(wǎng)格時操作也比較簡單。為獲得更加精確的模擬效果，將整個計算域劃分為三個網(wǎng)格區(qū)域，在船體周圍由內(nèi)向外、由密到疏，保證網(wǎng)格有良好的過渡性（見圖2）。由于該船首尾處曲率過度較大且形狀較為復雜，容易產(chǎn)生較大興波，在網(wǎng)格劃分時要作適當加密處理，加密網(wǎng)格如圖3和圖4所示。

圖3 首部網(wǎng)格加密

圖4 尾部網(wǎng)格加密

表2 計算結果及試驗結果

2.2 邊界條件設置

入口邊界條件：前方來流以一定的速度由船首流入，該面邊界條件設置為Specified velocity。

出口邊界條件：出口設置為outflow，即允許流體離開流體區(qū)而沒有回流流進流體區(qū)。

對稱邊界條件：流體區(qū)上下表面及對稱面設為symmetry，該邊界上的流體通量為0，流體的剪切應力也為0。

壓力邊界條件：兩側(cè)的表面設置為Specified pressure，壓力邊界為常數(shù)。

2.3 計算結果及驗證

文中模擬了不同航速下的船體阻力性能，計算結果及船模試驗結果如表2所示，表中Vs為實船航速，Vm為模型速度。將數(shù)值計算結果與試驗結果繪制成曲線如圖5所示。

圖5 阻力比較曲線圖

由表2和圖5可以看出，數(shù)值計算得到的總阻力與船模試驗值比較吻合，說明數(shù)值模型建立、湍流模型選取、邊界條件設置及求解器選用合理。由此證明CFD技術在該型漁船阻力性能預報方面可行性較好。

3 球鼻艏形狀優(yōu)選

在驗證數(shù)值模擬方法可行的基礎上，通過改變球艏的伸出長度、體積大小和形心浸深為該船設計水滴型球鼻艏和S-V上翹型球鼻艏，球鼻艏形狀如圖6所示，其數(shù)值模型如圖7和圖8所示。

圖6 不同球鼻艏形式

圖7 水滴型球鼻艏

圖8 S-V上翹型球鼻艏

然后利用數(shù)值模擬方法對二者的船體阻力性能進行計算，將計算結果與撞角型球鼻艏阻力性能繪制成曲線進行比較，其阻力性能曲線如圖9所示。

由圖9可見，該型船使用水滴型球鼻艏時減阻效果相對較差。航速較低時，撞角型球鼻艏的減阻效果優(yōu)于S-V上翹型，但航速較高時，撞角型球鼻艏減阻效果則稍劣于S-V上翹型球鼻艏。考慮到金槍魚延繩釣漁船在作業(yè)時經(jīng)常處于6～7 kn的低速航行狀態(tài)，因此，本船選取撞角型球鼻艏。

圖9 不同形式球鼻艏阻力性能曲線

4 結 論

本文針對金槍魚延繩釣漁船利用CFD方法并結合模型試驗獲得三種不同球鼻艏形式下船體的阻力性能。通過比較分析得出：對于該型經(jīng)常處于低速工況下作業(yè)的漁船，使用撞角型球鼻艏具有較好的減阻效果。

［1］ 陳霞萍，陳昌運.基于CFD與EFD的船體線型優(yōu)化設計研究［C］.《船舶力學》創(chuàng)刊十周年紀念學術會議論文集，無錫 ：［S.L.］，2007：243-250.

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