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(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)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(biāo)、節(jié)能減阻降耗已成為新型漁船設(shè)計(jì)領(lǐng)域必做的研究內(nèi)容［1］。在現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)中，球鼻艏已廣泛應(yīng)用于各軍用和民用船舶中，適當(dāng)?shù)那虮囚伎捎行У販p小興波阻力，在漁船領(lǐng)域球鼻艏的應(yīng)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(yàn)方法，國內(nèi)學(xué)者對于漁船使用球鼻艏進(jìn)行減阻研究已取得一定的成果［5-6］，但模型試驗(yàn)法存在耗費(fèi)大、周期長且不可重復(fù)利用的缺點(diǎn)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件不斷升級，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）也得到快速發(fā)展，CFD技術(shù)已成為船舶水動力性能研究的重要手段，并逐漸應(yīng)用到漁船領(lǐng)域。本文以一條新設(shè)計(jì)的金槍魚延繩釣漁船為研究對象，設(shè)計(jì)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(jìn)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(yùn)動，模擬過程中假定船模靜止，遠(yuǎn)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(jìn)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(xué)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?jǐn)?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?jǐn)?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(xiàng)，分別為湍動能和湍流耗散率所對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，均為1.39；是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別為 1.42、1.68。

2 數(shù)值模擬及驗(yàn)證

2.1 計(jì)算域選取及網(wǎng)格劃分

本文計(jì)算模型取自一艘新設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)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(jié)構(gòu)的對稱性，為節(jié)約計(jì)算時間本文取船體半寬進(jìn)行模擬，模型和計(jì)算域如圖1和圖2所示。

表1 船體主尺度

圖1 船體計(jì)算模型

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬計(jì)算最關(guān)鍵的一步，F(xiàn)low-3D通過有限差分法和其自帶的FAVOR技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)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(shí)際模型，其網(wǎng)格劃分以結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為基礎(chǔ)，裁剪出一部分網(wǎng)格來表示光滑的曲面，F(xiàn)AVOR技術(shù)利用簡單的矩形劃分來比擬復(fù)雜的幾何體，容易生成網(wǎng)格且計(jì)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(jì)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(fù)雜，容易產(chǎn)生較大興波，在網(wǎng)格劃分時要作適當(dāng)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(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果

2.2 邊界條件設(shè)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(shè)置為Specified velocity。

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

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

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

2.3 計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)證

文中模擬了不同航速下的船體阻力性能，計(jì)算結(jié)果及船模試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，表中Vs為實(shí)船航速，Vm為模型速度。將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(jì)算得到的總阻力與船模試驗(yàn)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(shè)置及求解器選用合理。由此證明CFD技術(shù)在該型漁船阻力性能預(yù)報(bào)方面可行性較好。

3 球鼻艏形狀優(yōu)選

在驗(yàn)證數(shù)值模擬方法可行的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與撞角型球鼻艏阻力性能繪制成曲線進(jìn)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?？紤]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(jié) 論

本文針對金槍魚延繩釣漁船利用CFD方法并結(jié)合模型試驗(yàn)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(yùn).基于CFD與EFD的船體線型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［C］.《船舶力學(xué)》創(chuàng)刊十周年紀(jì)念學(xué)術(shù)會議論文集，無錫 ：［S.L.］，2007：243-250.

［2］ 蔡榮泉，張彥明.艦船流場計(jì)算程序系統(tǒng)及其在淺吃水肥大船球艏選型中的應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，1997：16-20.

［3］ 王超，何苗，王偉，等.艏艉線型優(yōu)化對船舶阻力性能的影響［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（4）：75-81.

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