李 納，梁建生

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

目前，中國(guó)過(guò)洋性漁船多為近海漁船改造而成，能耗高、效益差，在公海捕撈作業(yè)中競(jìng)爭(zhēng)力明顯落后。為了增強(qiáng)遠(yuǎn)洋漁業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，提高利用公海漁業(yè)資源的能力，急需強(qiáng)化遠(yuǎn)洋漁業(yè)科研力量，研究遠(yuǎn)洋漁船節(jié)能降耗標(biāo)準(zhǔn)化船型及配套裝備關(guān)鍵技術(shù)。圍繞中國(guó)遠(yuǎn)洋漁船船型落后的問(wèn)題，開(kāi)展遠(yuǎn)洋漁船船型優(yōu)化，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良、節(jié)能降耗的新型漁船已勢(shì)在必行，漁船阻力優(yōu)化也成為熱門(mén)課題。

目前，船舶阻力性能的研究有3種方法：理論方法、數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)方法。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和專(zhuān)家進(jìn)行了深入研究：如通過(guò)建立各種數(shù)學(xué)理論模型，對(duì)船舶阻力進(jìn)行回歸分析，推導(dǎo)出簡(jiǎn)易、有效的回歸方程[1-4]；利用FLUENT、Flow-3D等計(jì)算流體軟件對(duì)船舶及海洋結(jié)構(gòu)物的阻力計(jì)算進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，并通過(guò)船模試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[5-10]；將CFD仿真模擬技術(shù)應(yīng)用到漁船設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可有效提高漁船及漁機(jī)裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)能力[11-15]。

本研究對(duì)33.2 m遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船船型進(jìn)行基于Oosterveld海船的剩余阻力回歸分析及CFD漁船船型阻力的特性分析，并在船模拖曳水池進(jìn)行比較試驗(yàn)。在理論分析設(shè)計(jì)選定優(yōu)秀基本船型基礎(chǔ)上，通過(guò)CFD模擬分析和船模試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)船舶進(jìn)行型線優(yōu)化及阻力特性曲線預(yù)報(bào)，建立漁船船型優(yōu)化方案。

1 船型阻力分析

1.1 阻力分析原理

船體總阻力Rt可以分為興波阻力Rw、摩擦阻力Rf和粘壓阻力Rpv，其關(guān)系表達(dá)式[16]為：

Rt=Rw+Rf+Rpv

(1)

興波阻力Rw和粘壓阻力Rpv合并在一起，稱為剩余阻力。

實(shí)船阻力計(jì)算采用二因次換算方法，將阻力分為摩擦阻力和剩余阻力兩部分，摩擦阻力按平板試驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，剩余阻力則服從相似定律。換算的具體步驟如下：

1)計(jì)算摩擦阻力Rf。摩擦阻力系數(shù)采用1957年第8屆ITTC公式[17]：

(2)

2)計(jì)算剩余阻力Rr。由總阻力中減去摩擦阻力，得出剩余阻力Rr：

Rr=Rt-Rf

(3)

應(yīng)用相似定律，根據(jù)船模的剩余阻力換算出實(shí)船在相當(dāng)速度下的剩余阻力Rr。

(4)

式中：Ds、Dm分別表示實(shí)船及船模的排水量(t)；Rrm表示船模剩余阻力。

3)計(jì)算相當(dāng)速度下的實(shí)船摩擦阻力Rf。加上實(shí)船剩余阻力以及粗糙度補(bǔ)貼，得出實(shí)船在相當(dāng)速度下的總阻力Rt。

Rt=Rf+Rr

(5)

阻力也可以系數(shù)的形式表示如下：

Ct=Cf+Cr+ΔCf

(6)

式中：ΔCf表示粗糙度補(bǔ)貼系數(shù),取ΔCf=0.4×10-3;Ct表示總阻力系數(shù)；Cr表示剩余阻力系數(shù)。

1.2 阻力回歸數(shù)學(xué)模型分析

利用構(gòu)建的基于荷蘭水池歐斯特懷爾德(Oosterveld)海船剩余阻力回歸多項(xiàng)式的小型漁船阻力特性分析數(shù)學(xué)模型對(duì)33.2 m遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船進(jìn)行剩余阻力特性理論分析。對(duì)93種小型海船模型的970個(gè)阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，得到剩余阻力回歸公式，統(tǒng)計(jì)誤差平均值7.3%，其精度優(yōu)于泰勒法及其他一些估算法。表達(dá)式為：

Rr/Δ=C1f1+C2f2+C3f3+C4f4

(7)

式中：參數(shù)Ci的計(jì)算公式為Ci=∑ki,j{LCB、CP、L/B、Ie、B/d、CM} ；Rr是剩余阻力；f1、f2、f3、f4是阻力系數(shù)；LCB是浮心縱向位置；CP是棱形系數(shù)；L/B是長(zhǎng)寬比；Ie是半進(jìn)水角；B/d是寬度吃水比；CM是舯剖面系數(shù)；Δ表示排水量。

摩擦阻力按ITTC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：

(8)

式中：ρ—水的密度，kg/m3；S—船體濕表面積，m2；V—船速，m/s。

33.2 m遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船主尺度要素為：水線長(zhǎng)(LWL)為30.5 m；垂線間長(zhǎng)(LPP)為28 m；型寬(B)為9 m；型深(D)為5.7 m；吃水(d)為3.5 m；濕表面積(S)為353 m2；排水量(Δ)為590.39 t；設(shè)計(jì)航速(V)為10.2 kn。33.2 m遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船阻力特性分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 拖網(wǎng)漁船阻力特性分析結(jié)果

1.3 CFD阻力特性分析

采用Flow-3D計(jì)算仿真軟件，使用VOF方法，結(jié)合RNG k-ε模型[18]，通過(guò)求解Navier-Stokes方程，對(duì)33.2 m雙甲板拖網(wǎng)漁船裸船體直航運(yùn)動(dòng)時(shí)的定常繞流的流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬和阻力計(jì)算。

1.3.1 數(shù)值計(jì)算方法

1)控制方程[19]。連續(xù)性方程：

(9)

動(dòng)量方程：

(10)

2)湍流模型。湍動(dòng)能k方程：

(11)

湍流耗散率ε方程：

(12)

3)邊界條件。根據(jù)對(duì)流場(chǎng)模擬計(jì)算的需要，并參考相關(guān)文獻(xiàn)及其經(jīng)驗(yàn)，采用的控制域?yàn)橐婚L(zhǎng)方體。按如下方案設(shè)置計(jì)算控制域的范圍和船模在控制域中位置。

進(jìn)流邊界條件：船艏前1倍船長(zhǎng)處，采用速度進(jìn)口邊界條件。出流邊界條件：后端在船艉4倍船長(zhǎng)處，采用壓力出口邊界條件。物面邊界條件：漁船外表面，設(shè)定無(wú)滑移條件。模型周向條件：下邊界在離龍骨2倍船長(zhǎng)處，側(cè)面邊界在離船縱舯剖面2倍船長(zhǎng)處，速度為未受擾動(dòng)的主流區(qū)速度。

1.3.2 數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算工況

1)計(jì)算模型。用于數(shù)值計(jì)算的模型尺度相對(duì)于實(shí)船尺度按縮尺比λ=1∶10的比例選取。

2)數(shù)值計(jì)算工況。流體參數(shù)：溫度20 ℃，密度998.2 kg/m3，動(dòng)力粘度0.001 003 kg/ms。計(jì)算航速：對(duì)船模以6種速度直航的阻力和粘性流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，相應(yīng)的船模速度和實(shí)船速度見(jiàn)表2。

表2 實(shí)船及模型運(yùn)動(dòng)速度

1.3.3 船體幾何建模及網(wǎng)格劃分

1)船體幾何建模。根據(jù)船模型線，采用Flow-3D軟件進(jìn)行船體幾何建模和網(wǎng)格劃分[20-22](圖1和圖2)。計(jì)算區(qū)域在船首和船側(cè)1倍船長(zhǎng)，在船后4倍船長(zhǎng)，底部以下2倍船長(zhǎng)。

圖1 模型側(cè)視圖

圖2 計(jì)算域示意圖

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

2)模型網(wǎng)格劃分。在CFD研究中，網(wǎng)格劃分作為人為因素影響最大的部分，是至關(guān)重要的一步，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的CFD問(wèn)題確定網(wǎng)格劃分的方式和方法。

FLOW-3D具有自動(dòng)網(wǎng)格生成技術(shù)，由于船艏艉形狀復(fù)雜，附近速度梯度較大，應(yīng)該進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。船體附近區(qū)域是計(jì)算研究的重要區(qū)域，網(wǎng)格的疏密好壞直接影響計(jì)算結(jié)果。這里采用局部網(wǎng)格加密的方法，在計(jì)算機(jī)計(jì)算能力范圍內(nèi)細(xì)化網(wǎng)格，提高計(jì)算精度。劃分網(wǎng)格如圖3所示。

3)計(jì)算結(jié)果分析。通過(guò)對(duì)漁船黏性繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到船舶的阻力、自由液面高度、船體周?chē)鷫毫Ψ植家约按w周?chē)俣鹊攘鲌?chǎng)信息。模型阻力計(jì)算結(jié)果及實(shí)船阻力換算：計(jì)算得到不同航速下對(duì)應(yīng)船模的阻力，并使用二因次換算法將計(jì)算得到的阻力轉(zhuǎn)換為實(shí)船阻力[23-24]，模型阻力仿真結(jié)果及實(shí)船阻力見(jiàn)表3。

4)船體周?chē)鷫毫υ茍D和速度云圖。CFD仿真過(guò)程中船體周?chē)鷫毫Ψ植家约按w周?chē)俣鹊攘鲌?chǎng)信息如圖4和圖5所示。

表3 模型阻力計(jì)算結(jié)果及實(shí)船阻力換算表

圖4 速度為0.6 m/s、1.3 m/s 和1.9 m/s時(shí)的船體周?chē)鷫毫υ茍D

圖5 速度為0.6 m/s、1.3 m/s 和1.9 m/s時(shí)的船體周?chē)俣仍茍D

基于CFD三維船體數(shù)值模擬考察不同航速下自由液面、船底壓力分布以及船體周?chē)ǜ摺⑺俣惹闆r，這些信息生動(dòng)形象地再現(xiàn)了船舶繞流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，通過(guò)對(duì)這些流場(chǎng)信息的觀察和分析，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明該設(shè)計(jì)漁船阻力變化趨勢(shì)合理，阻力性能良好。

1.4 船模阻力試驗(yàn)分析

船模試驗(yàn)是研究船舶阻力最普遍的方法。根據(jù)試驗(yàn)要求并考慮深水拖曳水池的試驗(yàn)?zāi)芰Α⒃囼?yàn)?zāi)Ｐ偷陌惭b和快速性模型試驗(yàn)技術(shù)，確定模型的縮尺比為1∶10，表4為33.2 m雙甲板拖網(wǎng)漁船實(shí)船與模型的主尺度與船型參數(shù)。船模阻力試驗(yàn)包括3個(gè)工況：設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)、輕載吃水Ⅰ狀態(tài)、輕載吃水Ⅱ狀態(tài)。設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)實(shí)船阻力與有效功率預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 33.2 m雙甲板拖網(wǎng)漁船實(shí)船與模型船型參數(shù)

表5 實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果

2 應(yīng)用分析

將阻力回歸公式的計(jì)算結(jié)果、CFD模擬計(jì)算結(jié)果與船模試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線進(jìn)行比較，其阻力性能曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出：

1)阻力曲線表明阻力回歸分析的結(jié)果與船模試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)比較接近，誤差絕對(duì)值在20%以內(nèi)，在9.0 ～11.0 kn船機(jī)槳匹配計(jì)算區(qū)段誤差在10%以內(nèi)。因此，利用漁船阻力特性分析數(shù)學(xué)模型可以進(jìn)行優(yōu)秀母型船篩選，提高設(shè)計(jì)效率，并可以對(duì)漁船進(jìn)行初步的低阻力線型優(yōu)化。

2)阻力曲線表明，CFD模擬結(jié)果與船模試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)更接近，兩者偏差的平均值為11.1%，在9～11.0 kn船機(jī)槳匹配計(jì)算區(qū)段誤差在10%以內(nèi)，說(shuō)明CFD阻力計(jì)算與模型試驗(yàn)阻力基本吻合，CFD方法具有較好的精確性和實(shí)用性，可以對(duì)漁船進(jìn)行進(jìn)一步的型線優(yōu)化。

圖6 阻力數(shù)值模擬與試驗(yàn)比較

3)初步確定船型主尺度和船型系數(shù)后，通過(guò)船型降阻節(jié)能優(yōu)化對(duì)船型主尺度和船型系數(shù)進(jìn)行最優(yōu)分析，完成最終詳細(xì)設(shè)計(jì)。實(shí)船捕撈生產(chǎn)驗(yàn)證該船型設(shè)計(jì)合理，適航性、快速性、操縱性和安全性等綜合性能相比同類(lèi)船型優(yōu)點(diǎn)明顯，節(jié)能20%以上，捕撈產(chǎn)量提高兩成，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3 結(jié)論

綜合利用阻力數(shù)學(xué)模型，CFD仿真模擬和船模試驗(yàn)對(duì)33.2 m遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船船型阻力性能進(jìn)行了分析研究，建立了漁船船型優(yōu)化方案及其理論分析方法。開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)洋雙甲板拖網(wǎng)漁船示范應(yīng)用效果反響良好，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代漁船的技術(shù)水平，達(dá)到了“安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保、適居”的目標(biāo)要求。

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