肖士杰，司冠南，陳建濤，李仁常

(1.山東交通學(xué)院，山東 濟南 250357；2.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東 青島 266100；3.青島中烏特種船舶研究設(shè)計院有限公司，山東 青島 266000)

多波束測深系統(tǒng)又稱為條帶測深系統(tǒng)，它是利用聲波在水下的傳播特性來測量水深，安裝在船底或附體上的發(fā)射換能器陣向海底發(fā)射超寬聲波束，接收換能器陣接收海底反向散射聲信號，經(jīng)過模擬/數(shù)字信號處理形成多個波束，獲得多個水深數(shù)據(jù)。多波束測深系統(tǒng)是當今海洋基礎(chǔ)勘探中的一項高新技術(shù)產(chǎn)品，是計算機科學(xué)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、水聲技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成，是一種全新的高精度全覆蓋式測深系統(tǒng)[1-2]。

目前，多數(shù)國內(nèi)外新建綜合海洋科學(xué)考察船都已經(jīng)裝備了多波束測深系統(tǒng)。它一般布置在船舶中前1/3處或者更為靠前的位置，常用的安裝型式有嵌入型、導(dǎo)流罩型和GONDOLA型等。GONDOLA型多波束安裝型式是指船底伸出掛壁與附體連接，多波束換能器安裝在附體底部。該種安裝型式掛壁高度約為600 mm，換能器距離船底高度約為1 200 mm。船舶在航行中船首產(chǎn)生的氣泡層通過船底與導(dǎo)流罩附體之間的間隙流向船尾，因此對安裝在導(dǎo)流罩附體里的聲學(xué)換能器影響較小，測量效果好[3]。

多波束的安裝對船舶阻力影響較大，GONDOLA型多波束附體使得船舶阻力增加約20%～40%。進行帶GONDOLA型多波束附體船舶阻力性能的研究，是做好該類船舶快速性設(shè)計的前提。

1 船舶阻力研究方法類別

船舶總阻力Rt主要包括興波阻力Rw、黏性阻力Rv、附體阻力Rap及波浪中航行時的阻力增值Raw，即[4]

Rt=Rw+Rv+Rap+Raw

船舶阻力研究方法有理論計算分析法、數(shù)值模擬法和模型試驗法等。理論計算分析方法有線性理論、面元法理論及經(jīng)驗公式估算等；常用的數(shù)值模擬方法有有限差分法、有限體積法、有限元法、有限分析法等；模型試驗法對于船舶阻力的確定仍然起著決定性的作用，常用來驗證其他阻力研究手段的可靠性。

船舶阻力數(shù)值方法在船型優(yōu)選、優(yōu)化中起著重要作用。隨著計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術(shù)發(fā)展及計算人員經(jīng)驗積累，其計算精度逐漸滿足工程需要，越來越多地應(yīng)用在船舶阻力的確定方面。

2 帶有GONDOLA型多波束附體船舶阻力數(shù)值模擬計算

船舶阻力數(shù)值模擬是通過計算流體動力學(xué)軟件來實現(xiàn)的。CFD軟件是專門進行流場計算、分析和預(yù)報的軟件。通過CFD軟件數(shù)值模擬，可以計算、分析并顯示發(fā)生在流場中的各種現(xiàn)象，得到比模型試驗更多的流場信息。在比較短的時間內(nèi)，CFD軟件可以進行水動力性能的預(yù)報，在多目標船型優(yōu)選、單目標船型優(yōu)化及水動力性能預(yù)報方面有廣泛的應(yīng)用[5-9]。

本文的計算原型為綜合科學(xué)考察船。采用縮尺比1∶13，進行建立幾何模型、構(gòu)建計算域、劃分網(wǎng)格、定義邊界條件、設(shè)定求解等模擬計算操作。

2.1 建立幾何模型

為了研究GONDOLA型多波束附體產(chǎn)生的阻力，分別建立光體船舶模型及帶有多波束附體的船舶模型。同時，船舶光體、附體及其流場關(guān)于船舶中縱剖面對稱，僅需建立半體模型即可實現(xiàn)對整個流場的模擬計算。

2.2 構(gòu)建計算域

船舶在海上航行時，不受淺水效應(yīng)及壁面效應(yīng)的影響，可以認為其處于無界的流場中。所以，進行數(shù)值模擬計算時，應(yīng)該將模型置于無限大的計算域中，以保證數(shù)值模擬與實際情況的一致性。但是，數(shù)值模擬中設(shè)置無限大的計算域?qū)嶋H上是做不到的，我們只有根據(jù)數(shù)值模擬計算的特征、船舶模型尺度及計算精度要求建立適當大小的計算域。同時，計算域的外形對網(wǎng)格類型和網(wǎng)格質(zhì)量有一定的影響，進而影響模擬計算的計算時間和計算精度。

本計算中，選用長方體計算域，分上、下兩部分，上部分計算域的流體為空氣，下部分計算域的流體為海水。

2.3 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬網(wǎng)格采用重疊網(wǎng)格方法，它將復(fù)雜的流動區(qū)域分成幾何邊界比較簡單的子區(qū)域，各子區(qū)域中的計算網(wǎng)格獨立生成，彼此存在著重疊、嵌套或覆蓋關(guān)系，流場信息通過插值在重疊區(qū)域邊界進行匹配和耦合。重疊網(wǎng)格既擁有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格邏輯關(guān)系簡單、流場計算精度高、效率高、壁面黏性模擬能力強等優(yōu)點，又彌補了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對外形適應(yīng)能力差的缺點[10]。

計算區(qū)域的網(wǎng)格單元總數(shù)約69萬(半體計算域)，壁面30≤y+≤50。面網(wǎng)格、體網(wǎng)格分別見圖1、圖2及圖3所示。

圖1 光體模型及表面網(wǎng)格

圖2 光體+多波束附體模型及表面網(wǎng)格

2.4 定義邊界條件

根據(jù)數(shù)據(jù)模擬的具體問題定義邊界條件：入口邊界設(shè)定為空氣/海水速度入口；假定出口邊界不受尾流擾動的影響，設(shè)定為壓力出口，壓力分布為靜水/空氣壓力；船舶模型表面設(shè)定為壁面，引入標準壁面函數(shù)；計算域及船舶模型中縱剖面設(shè)定為對稱面。選擇均勻流場作為模擬初始條件。船舶模型邊界條件設(shè)置見圖3所示。

圖3 體網(wǎng)格及邊界條件

2.5 求解設(shè)定與計算

水面船舶自由面繞流問題的數(shù)值模擬中，自由面采用Level-set法，流動采用非定常RANS(雷諾平均Navier-Stokes方程)方程模擬，選擇SSTk-ω湍流模型，封閉RANS方程。

進行數(shù)模擬計算至結(jié)果收斂。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

計算至收斂以后，根據(jù)需要分別提取典型航速下2個模型的自由面興波圖、表面流線圖等。自由興波圖見圖4、圖5所示，F(xiàn)r為傅汝德數(shù)，表面流線圖見圖6、圖7所示。

圖4 光體模型自由面興波圖(Fr=0.212)

分別提取不同航速下2個模型的模型阻力數(shù)據(jù)，進一步換算為實船光體阻力數(shù)據(jù)和實船光體+多波束附體阻力數(shù)據(jù)，見表1所示。以航速Vs為橫軸，阻力Rs為縱軸繪制出船舶阻力曲線圖，見圖8所示。

圖5 光體+多波束模型自由面興波圖(Fr=0.212)

圖6 船體表面流線圖

圖7 多波束表面流線圖

表1 船舶阻力數(shù)據(jù)表

圖8 船舶阻力曲線圖

4 結(jié)束語

介紹了GONDOLA型多波束，并對船舶光體、船舶光體+多波束附體分別進行了阻力性能的數(shù)值模擬計算。通過模擬計算，可以得到如下結(jié)論：

1)采用數(shù)值模擬方法可以很好地進行船舶流場計算、分析和預(yù)報，直觀地顯示發(fā)生在流場中的各種現(xiàn)象，得到比模型試驗更多地流場信息。

2)通過數(shù)值模擬計算，可以方便地進行船舶阻力計算和預(yù)報，為船舶快速性設(shè)計提供依據(jù)。

3)船舶光體、船舶光體+多波束的數(shù)值模擬計算結(jié)果對比顯示，不同航速下多波束附體產(chǎn)生阻力增幅不同，該多波束附體產(chǎn)生阻力增幅范圍約為25%～50%。