李 納，梁建生

(中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

目前，中國過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)中競爭力明顯落后。為了增強遠洋漁業(yè)的國際競爭力，提高利用公海漁業(yè)資源的能力，急需強化遠洋漁業(yè)科研力量，研究遠洋漁船節(jié)能降耗標準化船型及配套裝備關(guān)鍵技術(shù)。圍繞中國遠洋漁船船型落后的問題，開展遠洋漁船船型優(yōu)化，開發(fā)性能優(yōu)良、節(jié)能降耗的新型漁船已勢在必行，漁船阻力優(yōu)化也成為熱門課題。

目前，船舶阻力性能的研究有3種方法：理論方法、數(shù)值模擬方法和試驗方法。國內(nèi)外許多學者和專家進行了深入研究：如通過建立各種數(shù)學理論模型，對船舶阻力進行回歸分析，推導出簡易、有效的回歸方程[1-4]；利用FLUENT、Flow-3D等計算流體軟件對船舶及海洋結(jié)構(gòu)物的阻力計算進行數(shù)值仿真模擬，并通過船模試驗對計算結(jié)果進行對比分析[5-10]；將CFD仿真模擬技術(shù)應(yīng)用到漁船設(shè)計領(lǐng)域，可有效提高漁船及漁機裝備的設(shè)計研發(fā)能力[11-15]。

本研究對33.2 m遠洋雙甲板拖網(wǎng)漁船船型進行基于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行比較試驗。在理論分析設(shè)計選定優(yōu)秀基本船型基礎(chǔ)上，通過CFD模擬分析和船模試驗驗證對船舶進行型線優(yōu)化及阻力特性曲線預報，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。

實船阻力計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所得的經(jīng)驗公式計算，剩余阻力則服從相似定律。換算的具體步驟如下：

1)計算摩擦阻力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船在相當速度下的剩余阻力Rr。

(4)

式中：Ds、Dm分別表示實船及船模的排水量(t)；Rrm表示船模剩余阻力。

3)計算相當速度下的實船摩擦阻力Rf。加上實船剩余阻力以及粗糙度補貼，得出實船在相當速度下的總阻力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式的小型漁船阻力特性分析數(shù)學模型對33.2 m遠洋雙甲板拖網(wǎng)漁船進行剩余阻力特性理論分析。對93種小型海船模型的970個阻力試驗數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)計回歸分析，得到剩余阻力回歸公式，統(tǒng)計誤差平均值7.3%，其精度優(yōu)于泰勒法及其他一些估算法。表達式為：

Rr/Δ=C1f1+C2f2+C3f3+C4f4

(7)

式中：參數(shù)Ci的計算公式為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是長寬比；Ie是半進水角；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標準計算：

(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遠洋雙甲板拖網(wǎng)漁船主尺度要素為：水線長(LWL)為30.5 m；垂線間長(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)計航速(V)為10.2 kn。33.2 m遠洋雙甲板拖網(wǎng)漁船阻力特性分析結(jié)果見表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計算仿真軟件，使用VOF方法，結(jié)合RNG k-ε模型[18]，通過求解Navier-Stokes方程，對33.2 m雙甲板拖網(wǎng)漁船裸船體直航運動時的定常繞流的流場特性進行數(shù)值模擬和阻力計算。

1.3.1 數(shù)值計算方法

1)控制方程[19]。連續(xù)性方程：

(9)

動量方程：

(10)

2)湍流模型。湍動能k方程：

(11)

湍流耗散率ε方程：

(12)

3)邊界條件。根據(jù)對流場模擬計算的需要，并參考相關(guān)文獻及其經(jīng)驗，采用的控制域為一長方體。按如下方案設(shè)置計算控制域的范圍和船模在控制域中位置。

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

1.3.2 數(shù)值計算模型及計算工況

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

2)數(shù)值計算工況。流體參數(shù)：溫度20 ℃，密度998.2 kg/m3，動力粘度0.001 003 kg/ms。計算航速：對船模以6種速度直航的阻力和粘性流場進行數(shù)值模擬，相應(yīng)的船模速度和實船速度見表2。

表2 實船及模型運動速度

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軟件進行船體幾何建模和網(wǎng)格劃分[20-22](圖1和圖2)。計算區(qū)域在船首和船側(cè)1倍船長，在船后4倍船長，底部以下2倍船長。

圖1 模型側(cè)視圖

圖2 計算域示意圖

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)實際的CFD問題確定網(wǎng)格劃分的方式和方法。

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

3)計算結(jié)果分析。通過對漁船黏性繞流場進行數(shù)值模擬，得到船舶的阻力、自由液面高度、船體周圍壓力分布以及船體周圍速度等流場信息。模型阻力計算結(jié)果及實船阻力換算：計算得到不同航速下對應(yīng)船模的阻力，并使用二因次換算法將計算得到的阻力轉(zhuǎn)換為實船阻力[23-24]，模型阻力仿真結(jié)果及實船阻力見表3。

4)船體周圍壓力云圖和速度云圖。CFD仿真過程中船體周圍壓力分布以及船體周圍速度等流場信息如圖4和圖5所示。

表3 模型阻力計算結(jié)果及實船阻力換算表

圖4 速度為0.6 m/s、1.3 m/s 和1.9 m/s時的船體周圍壓力云圖

圖5 速度為0.6 m/s、1.3 m/s 和1.9 m/s時的船體周圍速度云圖

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圍波高、速度情況，這些信息生動形象地再現(xiàn)了船舶繞流場的細節(jié)，通過對這些流場信息的觀察和分析，數(shù)值計算結(jié)果表明該設(shè)計漁船阻力變化趨勢合理，阻力性能良好。

1.4 船模阻力試驗分析

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

表4 33.2 m雙甲板拖網(wǎng)漁船實船與模型船型參數(shù)

表5 實船預報結(jié)果

2 應(yīng)用分析

將阻力回歸公式的計算結(jié)果、CFD模擬計算結(jié)果與船模試驗結(jié)果繪制成曲線進行比較，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)果與船模試驗結(jié)果變化趨勢比較接近，誤差絕對值在20%以內(nèi)，在9.0 ～11.0 kn船機槳匹配計算區(qū)段誤差在10%以內(nèi)。因此，利用漁船阻力特性分析數(shù)學模型可以進行優(yōu)秀母型船篩選，提高設(shè)計效率，并可以對漁船進行初步的低阻力線型優(yōu)化。

2)阻力曲線表明，CFD模擬結(jié)果與船模試驗結(jié)果的變化趨勢更接近，兩者偏差的平均值為11.1%，在9～11.0 kn船機槳匹配計算區(qū)段誤差在10%以內(nèi)，說明CFD阻力計算與模型試驗阻力基本吻合，CFD方法具有較好的精確性和實用性，可以對漁船進行進一步的型線優(yōu)化。

圖6 阻力數(shù)值模擬與試驗比較

3)初步確定船型主尺度和船型系數(shù)后，通過船型降阻節(jié)能優(yōu)化對船型主尺度和船型系數(shù)進行最優(yōu)分析，完成最終詳細設(shè)計。實船捕撈生產(chǎn)驗證該船型設(shè)計合理，適航性、快速性、操縱性和安全性等綜合性能相比同類船型優(yōu)點明顯，節(jié)能20%以上，捕撈產(chǎn)量提高兩成，經(jīng)濟效益可觀。

3 結(jié)論

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

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