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        隧道尾雙體船性能分析研究

        2021-03-15 05:43:16楊良軍
        中國水運 2021年2期
        關(guān)鍵詞:雙體船性能分析

        楊良軍

        摘 要:以某具備隧道尾的雙體船為研究對象,分析其航行與阻力性能特點,開展其性能分析研究。在構(gòu)建完成主船體三維模型的基礎(chǔ)上,選定主要的航速范圍,在CFD 仿真軟件上開展了計算域確定、邊界條件設(shè)定以及計算結(jié)果分析等方面的工作。分析結(jié)果表明,該船型的性能較為優(yōu)良,較適用于無人雙體船,該分析結(jié)果為后續(xù)的船型開發(fā)提供了有利的指導(dǎo)。

        關(guān)鍵詞:雙體船;性能分析;隧道尾

        中圖分類號:U661.4 ? ? ?文獻標(biāo)識碼:A ? ? ?文章編號:1006—7973(2021)02-0121-02

        1引言

        在同等噸位下,雙體船比單體船具備更大的甲板面積以及更好的穩(wěn)性[1],適用于對于甲板布置要求較高的船型。對于吃水受限的船型,要增大螺旋槳直徑,隧道尾是最好的選擇之一[2]。對于隧道尾船型的研究,相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進行了廣泛的研究。

        在兼顧甲板面積與螺旋槳直徑的情況下,船型性能分析要求較高[3],主要體現(xiàn)在主船體曲面形狀復(fù)雜,CFD計算網(wǎng)格劃分以及計算條件的設(shè)定均較為復(fù)雜[4]。

        2船型介紹

        本文所分析的船型為某具備隧道尾的雙體船,該船主尺度如表1所示。

        3計算模型及計算條件

        3.1計算模型的建立

        根據(jù)船體型線圖和主尺度表對雙體隧道尾船以1:10的縮尺比進行計算模型三維建模。需計算實船在14Kn、15Kn、16Kn、17Kn、18kn下的阻力性能,根據(jù)傅汝德數(shù)相似對船模航速進行換算。對雙體隧道尾船模型用FINE/Marine商業(yè)軟件分別在2.277m/s、2.440m/s、2.603m/s、2.765m/s、2.928m/s速度下計算船模的總阻力。

        計算中直接求解三維粘性不可壓多相流體的雷諾平均方程,采用SST湍流模型,近壁處理使用壁面函數(shù)法。

        微分方程的離散采用隱式有限體積法,具有2 階空間和時間精度[5]。

        3.2邊界條件

        計算域的具體設(shè)置為:縱向從船艏向上游延伸2倍的船長,從船艉向下游延伸3倍的船長,側(cè)面向外延伸2倍船長,垂直向下延伸3倍船長,向上延伸1倍船長。

        入流邊界、出流邊界和船側(cè)對應(yīng)邊界采用遠場邊界條件。中縱剖面所在邊界采用對稱邊界條件。上下邊界采用指定壓力邊界條件。船體表面的邊界條件設(shè)定為固壁無滑移的條件。甲板的邊界條件為滑移邊界,忽略空氣粘性的影響。

        對船體表面曲率變化比較大和物理量梯度變化比較大區(qū)域,如艏部、艉部、自由液面附近的網(wǎng)格進行加密。

        所有計算的網(wǎng)格數(shù)都約為180萬左右,正交性不小于21.33°,正交性大于72 °的網(wǎng)格比例大于92% 。

        4阻力性能計算

        4.1模型尺度下的總阻力計算

        在入流邊界上,水流以1/4正弦函數(shù)的形式在1s內(nèi)增加到給定速度。在計算收斂的時間段內(nèi)取3個完整周期阻力的平均值作為最終船模的總阻力。計算得模型的阻力如下表。

        4.2實船尺度下的總阻力值

        實船尺度下的總阻力值是根據(jù)模型計算值或者模型實驗值換算得到的。目前常用的換算方法為基于傅汝德數(shù)相同的換算方法,其換算結(jié)果較為可靠,適用船型范圍廣泛。

        船模與實船只能滿足雷諾數(shù)或傅汝德數(shù)相等其中的一種,一般船模阻力計算或者船模實驗時都只考慮船模和實船的傅汝德數(shù)相等的情況下進行的。為了能從船模計算或者實驗結(jié)果求得實船阻力,相關(guān)技術(shù)人員提出了下列假定:

        (1)將船體總阻力人為劃分兩部分。第一部分為摩擦阻力Rf,該部分數(shù)值與雷諾數(shù)和船舶濕表面積有關(guān);第二部分為剩余阻力Rr,是由粘壓阻力Rpv與興波阻力Rw組合而成的,該部分數(shù)值與傅汝德數(shù)和船舶濕表面積有關(guān)。上述關(guān)系的具體表達式為:

        Rt=Rf+Rr ?Rr=Rpv+Rw

        Rt=f(Re,F(xiàn)r)=f1(Re)+f2(Fr)

        Rf=f1(Re) ? Rr=f2(Fr)

        (2)船體的摩擦阻力近似與速度、長度和濕表面積相同的平板所受的摩擦阻力相等。因此,可以用平板摩擦阻力公式計算船體受到的摩擦阻力。

        如果計算模型與實船的傅汝德數(shù)相等,便可將數(shù)值計算或者實驗結(jié)果換算得實船在相應(yīng)速度時的總阻力。在此基礎(chǔ)上,實船的總阻力可表示為:

        Rts=Rfs+Rrs ? ? ? ? (1)

        在相應(yīng)速度時,即Vs=Vm,由比較定律得:

        Rrs=Rrm ? ? ? (2)

        則得:

        Rts=Rfs+Rrm ? ? ? ?(3)

        這里下標(biāo)m,s分別代表船模和實船的數(shù)據(jù)。

        根據(jù)上述的二因次換算方法進行換算。實船摩擦阻力由常用的基于平板摩擦的公式計算所得,粗糙度補貼系數(shù)取0.4。計算結(jié)果如表3所示。

        二因次換算所得計算結(jié)果如表4所示。

        5結(jié)論

        本文的總阻力分析結(jié)果表明,該隧道尾雙體船型性能優(yōu)良,較適合用于甲板面積要求較高的無人船型研發(fā)。后續(xù)研究需要對其性能進一步開展優(yōu)化,以提高其競爭力。

        參考文獻:

        [1] 沈春濤.內(nèi)河淺吃水雙尾船振動問題分析與對比研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué),2015.

        [2] 王廣東,戴彤宇.隧道尾排水型快艇性能試驗研究[J].船舶工程,2000(02):17-20+66.

        [3] 鄧銳,黃德波,于雷,程宣愷,梁洪光.影響雙體船阻力計算的流場CFD因素探討[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2011,32(02):141-147.

        [4] 唐豐.新型雙體船和三體船阻力性能研究[J].船舶,2007(02):1-4.

        [5] 倪連超,陳震.多航態(tài)高速雙體船阻力計算研究[D].天津大學(xué),2005.

        .

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