方先進(jìn)，朱仁傳，徐文珊，賴海清

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240； 2.廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250)

某中高速漁政船附體阻力性能分析

方先進(jìn)1,2，朱仁傳1，徐文珊2，賴海清2

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240； 2.廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250)

考慮到圓舭型漁政執(zhí)法船因船型特點(diǎn)及航行性能改善需要設(shè)置舭龍骨、壓浪板等附體，而這些附體對(duì)船體的總阻力具有較大的影響，采用Fine/Marine對(duì)該漁政船裸船體及帶各類附體時(shí)的總阻力進(jìn)行模型數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比計(jì)算結(jié)果與船模試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠性及各類附體對(duì)總阻力性能的具體影響。

漁政船；船舶阻力；舭龍骨；壓浪板

對(duì)漁政執(zhí)法船來說，快速性直接影響執(zhí)法能力。影響快速性的重要因素就是船舶的阻力性能，一般在設(shè)計(jì)初期要進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)并進(jìn)行驗(yàn)證。目前，阻力計(jì)算預(yù)報(bào)方法主要有模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算模擬兩種途徑。船模試驗(yàn)因周期較長(zhǎng)、費(fèi)用較高、難以得到詳細(xì)的局部流場(chǎng)信息，同時(shí)也不可能對(duì)所有附體都分別進(jìn)行分析，具有較大的局限性。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)理論和硬件技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值方法進(jìn)行阻力預(yù)報(bào)日益受到重視[1]。

漁政執(zhí)法船一般為圓舭中高速船，根據(jù)此類船型特點(diǎn)和改善航行性能需要，一般都會(huì)設(shè)置舭龍骨、壓浪板等附體，這些附體將會(huì)對(duì)船舶高速航行時(shí)的外部流場(chǎng)產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而影響船體總阻力[2]。目前在水池阻力測(cè)試試驗(yàn)中，一般只做裸船體和加所有附體2種工況。但對(duì)于設(shè)計(jì)優(yōu)化來說，需要了解各個(gè)附體所引起的流場(chǎng)和阻力具體變化，以便分別進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。為此，考慮采用船舶海洋水動(dòng)力性能分析專門軟件Fine/Marine，在模型尺度對(duì)某漁政船裸船體及帶舭龍骨、壓浪板各類附體時(shí)的總阻力分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。將裸船體計(jì)算結(jié)果與船模試驗(yàn)測(cè)得的總阻力進(jìn)行比較，驗(yàn)證該預(yù)報(bào)方法的可靠性。將帶附體模擬結(jié)果分別與裸船體模擬結(jié)果對(duì)比，研究各類附體對(duì)流場(chǎng)和總阻力性能的具體影響。通過網(wǎng)格細(xì)化和增加邊界層，捕捉舭龍骨、壓浪板等薄片附體的影響，將其作為前期進(jìn)行此類薄片附體分析和優(yōu)化的手段。

1 數(shù)值方法及網(wǎng)格劃分

1.1 數(shù)值計(jì)算方法

在Fine/Marine中進(jìn)行阻力數(shù)值模擬也是以多相流為基礎(chǔ)，在一個(gè)長(zhǎng)方體數(shù)值模擬水池中進(jìn)行的。求解器ISIS-CFD采用非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬多相流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[3]，在計(jì)算過程中求解的不可壓黏性流質(zhì)量和動(dòng)量控制方程為

(1)

(2)

式中：t為時(shí)間；ρ為密度；V為控制體；S為圍成控制體的面積；Ud為S上n方向的速度；U和p分別為速度和壓力；Ui為在xi坐標(biāo)軸方向上的平均速度分量；τi和gi分別為黏性應(yīng)力張量和重力矢量；Ii和Ij分別為方向向量；ci為i相流體的體積分?jǐn)?shù)。

計(jì)算采用的湍流模型為SSTk-ω模型，求解過程采用直接求解三維黏性不可壓多相流體的雷諾平均方程的方法[4]。微分方程的離散采用隱式有限體積法，具有二階空間和時(shí)間精度。動(dòng)量方程離散采用GDS格式，自由液面處理采用自由液面捕捉法，與自由液面追蹤法相比，具有更好的靈活性和適應(yīng)性，可較好地處理破碎波等復(fù)雜的自由液面，采用可壓縮性的離散格式，減小自由液面的數(shù)值耗散問題[5]。

1.2 分析模型及網(wǎng)格劃分方法

某中高速漁政船400 t級(jí)主要參數(shù)：總長(zhǎng)56.0 m，垂線間長(zhǎng)50.2 m，型寬7.8 m，型深3.85 m，設(shè)計(jì)吃水2.7 m，水池試驗(yàn)時(shí)的船?？s尺比為1∶11.513。計(jì)算模擬時(shí)按照水池模型試驗(yàn)的試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行建模和邊界條件設(shè)置(包括模型尺寸、計(jì)算域尺寸、水溫、重心位置等)，并結(jié)合中高速船航行特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，引入多自由度耦合計(jì)算，同時(shí)考慮航行縱傾和升沉帶來的阻力影響?？紤]到計(jì)算域的對(duì)稱性，為節(jié)省計(jì)算資源，按半船進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分和計(jì)算。

計(jì)算水池長(zhǎng)24.3 m、寬9.723×2 m、高9.723 m，水深7 m。采用Fine/Marine中的全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成器HEXPRESS進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該網(wǎng)格生成器采用由體到面的網(wǎng)格生成技術(shù)，在物面附近網(wǎng)格被適當(dāng)化并投影到物面上，從而形成貼體網(wǎng)格。在網(wǎng)格生成過程中，為確保網(wǎng)格質(zhì)量及網(wǎng)格的合理分布，在自由液面處設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由液面的精確捕捉[6]。

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 裸船體阻力計(jì)算和驗(yàn)證

網(wǎng)格總數(shù)約80萬，具體劃分情況見圖1。

按照水池試驗(yàn)航速范圍對(duì)應(yīng)實(shí)船8～20 kn范圍內(nèi)，每間隔1 kn進(jìn)行船體總阻力模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果及與水池試驗(yàn)對(duì)比見表1。

由表1可見，數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)總阻力結(jié)果在總體趨勢(shì)上基本一致，誤差都在10%以內(nèi)。

圖1 網(wǎng)格劃分情況

實(shí)船航速Vs/kn模型航速Vm/(m·s-1)Fr試驗(yàn)阻力/N升沉/m縱傾/(°)模擬阻力/N誤差/%81．2130．18310．6830．2820．00210．979-2．767101．5160．22917．6290．2800．00316．8734．288121．8190．27525．3980．2770．00423．8975．909142．1220．32036．0130．2730．00632．6529．333162．4260．36654．1320．2690．00749．7198．152182．7290．41292．9790．2630．00084．8978．692192．8800．435115．7580．261-0．005105．4778．881203．0320．458137．1240．260-0．010122．48310．678

但總體來看，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果普遍低于水池試驗(yàn)結(jié)果，并且隨著航速的增加，誤差逐漸呈增大的趨勢(shì)。分析原因可能是水池試驗(yàn)時(shí)在船艏部增加了激流絲，而數(shù)值模擬時(shí)采用默認(rèn)的壁面粗糙度。

自由液面波形對(duì)比見圖2。

圖2 自由液面波形圖

2.2 舭龍骨阻力性能分析

本船在6～14站之間設(shè)置舭龍骨，實(shí)船尺度寬度為350 mm。按照縮似比換算后，實(shí)際模擬模型寬度為30.4 mm。按照以上尺度建立模型后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖3。

圖3 舭龍骨網(wǎng)格劃分

在原裸船體上增加舭龍骨后進(jìn)行數(shù)值模擬，其總阻力結(jié)果與原裸船體總阻力對(duì)比如表2。

表2 帶舭龍骨與裸船體阻力對(duì)比

由表2可見，增加舭龍骨后全船的總阻力會(huì)相應(yīng)增加[7]，在設(shè)計(jì)航速附近增加值約5%。另外，隨著航速的增加，由于舭龍骨引起的阻力增加值也會(huì)逐漸增大，但阻力增加值在總阻力中所占的比例逐漸減小。初步分析認(rèn)為，在舭龍骨設(shè)計(jì)方案合理的情況下，不會(huì)對(duì)船體表面的壓力分布和興波產(chǎn)生較大的影響，對(duì)總阻力的影響主要是相應(yīng)增加船體的摩擦阻力。

2.3 壓浪板阻力性能研究

本船在艉封板下邊緣2.59 m半寬范圍內(nèi)設(shè)置艉壓浪板，壓浪板寬度為600 mm。按照縮似比換算后，實(shí)際模擬模型半寬范圍為225 mm，壓浪板寬度為52 mm。按照以上尺度建立模型后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖4。

圖4 艉壓浪板網(wǎng)格劃分

根據(jù)壓浪板設(shè)置特點(diǎn)，針對(duì)壓浪板進(jìn)行阻力性能分析。經(jīng)過數(shù)值計(jì)算總阻力與裸船體對(duì)比如表3。

表3 帶壓浪板與裸船體阻力對(duì)比

由表3可見，在尾部設(shè)置壓浪板后全船的總阻力會(huì)適當(dāng)減小[8-9]，在設(shè)計(jì)航速附近的阻力減小至可達(dá)約5%。另外，在一定航速范圍內(nèi)，隨著航速的增加，由于艉壓浪板引起的總阻力減小值也會(huì)逐漸增大，并且阻力減小值在總阻力中所占的比例也逐步增大。初步分析認(rèn)為：合理地設(shè)置艉壓浪板可有效降低船體總阻力；在一定范圍內(nèi)隨著航速增加降阻效果更明顯，說明由于設(shè)置艉壓浪板引起的摩擦阻力增加值很小，同時(shí)可較大幅度地降低船體的興波阻力。

3 結(jié)論

模型尺度下采用Fine/Marine數(shù)值模擬的總阻力結(jié)果與水池試驗(yàn)相比，誤差可控制在10%以內(nèi)。但由于數(shù)值模擬時(shí)采用默認(rèn)的壁面粗糙度，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果普遍低于水池試驗(yàn)結(jié)果；在Fine/marine中通過網(wǎng)格細(xì)化和增加邊界層，在數(shù)值模擬中可捕捉到舭龍骨、壓浪板等薄片附體的影響；舭龍骨在設(shè)計(jì)合理的情況下，不會(huì)對(duì)船體周圍流場(chǎng)產(chǎn)生較大的影響，主要增加摩擦阻力，研究目標(biāo)船在設(shè)計(jì)航速附近增加值約為5%；此類船舶在尾部設(shè)置壓浪板可有效降低船舶的總阻力，研究目標(biāo)船在設(shè)計(jì)航速附近降阻可達(dá)5%左右。

通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，得出結(jié)論如下。

1)采用SSTk-ω湍流模型對(duì)Fr在0.2～0.4范圍內(nèi)的中高速快艇進(jìn)行阻力性能數(shù)值計(jì)算是可行的，預(yù)報(bào)精度滿足工程設(shè)計(jì)初期的要求，仿真計(jì)算可捕捉到壓浪板、舭龍骨等局部附體的流場(chǎng)信息，可作為中高速快艇設(shè)計(jì)初期線型設(shè)計(jì)與優(yōu)化的重要手段。

2)關(guān)于典型附體對(duì)船體阻力性能的分析結(jié)果具有一定的代表性，可作為此類中高速快艇附體設(shè)計(jì)的參考。但同一附體形狀、角度等參數(shù)對(duì)阻力的影響情況未做深入分析，還需在后續(xù)工作中做進(jìn)一步研究。

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Analysis Appendix Resistance Performance for Fishery Administration Vessel

FANG Xian-jin1,2, ZHU Ren-chuan1, XU Wen-shan2, LAI Hai-qing2

(1.School of Naval Architecture Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250, China)

Due to the characteristics of hull form and the need to improve the navigation performance, round bilge type fishery administration vessel will generally set appendages on the hull body, such as bilge keel and spray strip, which have a greater effect on the total resistance. By using Fine/Marine software, the total resistance of a fishery administration vessel was calculated about the naked hull and attached body in the model scale. The prediction method was verified by comparing the calculated results with the experimental ones. The effect of appendages on total resistance was studied.

fishery administration vessel; ship resistance; bilge keel; spray strip

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.001

2016-05-10

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B090901051)

方先進(jìn)(1984—)，男，學(xué)士，工程師

U661.33

A

1671-7953(2016)06-0001-04

修回日期：2016-06-07

研究方向:船舶總體設(shè)計(jì)與管理

E-mail:fxj144652@126.com