饒志強(qiáng)，魏 波，樊 濤，胡天翔，朱伯華，呂 江，郭興乾

(1. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 200219；2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；3. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫214082；4. 中國(guó)船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

隨著造船技術(shù)和航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，船舶正向大型化和高航速方向發(fā)展。在這個(gè)過(guò)程中，船舶尾部附體數(shù)量和尺寸都會(huì)增多或增大。尾部區(qū)域附體最多，也最容易發(fā)生空化，而空化引起的剝蝕、振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。通常認(rèn)為，船尾容易發(fā)生空泡的部件主要是軸支架、螺旋槳和舵葉等附體。對(duì)這些附體的空泡現(xiàn)象已經(jīng)有一些成果供參考。對(duì)于軸支架空泡現(xiàn)象，程道明等[1]在減壓水池中對(duì)某型船開展了試驗(yàn)并觀測(cè)軸支架空泡。黃洪波等[2]對(duì)一艘雙槳船的軸支架進(jìn)行了多安裝角度試驗(yàn)分析，得到了不同支架角度對(duì)應(yīng)的空泡形態(tài)以及螺旋槳的水動(dòng)力性能供船舶設(shè)計(jì)參考。呂江等[3]采用Eppler方法對(duì)軸支架剖面進(jìn)行了設(shè)計(jì)并開展模型試驗(yàn)，試驗(yàn)證明Eppler設(shè)計(jì)支架能夠提高軸支架的空泡裕度。李亮等[4]采用內(nèi)窺鏡觀測(cè)了實(shí)船支架上的空泡，為實(shí)船支架臂空泡形態(tài)提供了直觀認(rèn)識(shí)。而對(duì)于舵葉表面空化問(wèn)題，于安斌等[5]對(duì)扭曲舵的空化特性進(jìn)行了模型試驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)扭曲設(shè)計(jì)能夠有效提高舵葉空泡初生舵角。葉金銘等[6]采用CFD方法對(duì)舵葉空化開展了數(shù)值研究和實(shí)船觀測(cè)，結(jié)果表明舵表面會(huì)先于螺旋槳表面發(fā)生空化。曹彥濤等[7]同樣采用內(nèi)窺鏡對(duì)實(shí)船舵葉空泡進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果表明舵葉表面的犧牲陽(yáng)極最容易發(fā)生空化，且懸空的舵葉下端有渦空泡脫落，舵葉中部在高速時(shí)有大面積空泡出現(xiàn)。相對(duì)于軸支架和舵葉，螺旋槳空化的研究則豐富得多。熊鷹等[8]、張永坤等[9]、季盛等[10]、劉登成等[11]，武坤等[12]采用數(shù)值模擬或試驗(yàn)方法開展了螺旋槳空化特性的研究。

近年來(lái)，很多大型船舶都在船舶尾部安裝了尺寸較大的呆木來(lái)提高尾部結(jié)構(gòu)安全性或匹配船塢內(nèi)建造工藝。一般認(rèn)為，呆木對(duì)船舶性能影響最大的是操縱性。趙占華等[13]采用模型試驗(yàn)的方法證實(shí)呆木能提高一艘工程船的拖航穩(wěn)定性。曹留帥等[14]采用分離型操縱性數(shù)學(xué)模型研究了呆木對(duì)操縱性的影響，結(jié)果表明呆木面積與航向穩(wěn)定性提高成正比。而對(duì)于尾部呆木周圍的流場(chǎng)及其流動(dòng)特性研究，則尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法研究一艘?guī)Т裟镜拇拔膊苛鲌?chǎng)。數(shù)值仿真首先分析了直航狀態(tài)下的尾部呆木壓力分布和呆木泄出渦形態(tài)，然后分析了回轉(zhuǎn)狀態(tài)下的泄出渦特征。研究表明呆木末端是全船壓力最低點(diǎn)，在高速直航時(shí)有明顯的泄出渦產(chǎn)生，而回轉(zhuǎn)狀態(tài)下泄出渦大幅減弱或消失。船舶直航時(shí)呆木泄出渦存在空化的可能，在船舶設(shè)計(jì)中不能忽略。

1 流場(chǎng)數(shù)值分析

1.1 物理模型和數(shù)值方法

為了開展流場(chǎng)模擬，在模型尺度船體周圍創(chuàng)建計(jì)算域。其中，直航工況的計(jì)算域?yàn)榉叫危剞D(zhuǎn)工況的計(jì)算域?yàn)榄h(huán)形。在數(shù)值模擬中，采用RANS方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。計(jì)算域的入口采用速度入口，出口采用壓力出口，側(cè)面遠(yuǎn)場(chǎng)采用對(duì)稱邊界（直航工況）或者滑移壁面邊界條件保證流體在遠(yuǎn)場(chǎng)邊界上不穿透（回轉(zhuǎn)工況），消除遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件對(duì)船體周圍流場(chǎng)的影響。圖1和圖2為CFD數(shù)值仿真的計(jì)算域及具體邊界條件設(shè)置，右下角為尾部呆木表面網(wǎng)格。直航工況網(wǎng)格總數(shù)約為640萬(wàn)，回轉(zhuǎn)工況網(wǎng)格總數(shù)約為1 300萬(wàn)，船體和附體表面均劃分邊界層網(wǎng)格。為了分析流場(chǎng)特性，采用同一個(gè)航速進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

1.2 直航數(shù)值分析

首先對(duì)直航工況進(jìn)行數(shù)值分析。在船舶流場(chǎng)中，低壓區(qū)和渦是形成空化的主要因素。因此可以通過(guò)壓力分布和渦系特性來(lái)定性判斷尾流場(chǎng)的基本情況。圖3為直航工況的尾部壓力分布。從壓力分布的結(jié)果來(lái)看，船尾呆木末端由于形狀突擴(kuò)是一個(gè)壓力極低的區(qū)域，為全船壓力最低點(diǎn)（圖3虛線圈內(nèi)）。圖4和圖5為尾部流場(chǎng)的Q準(zhǔn)則等值渦面（Q=10 000，下同）以及渦面上的壓力分布。其中圖5還給出了呆木后方的流線。從渦面結(jié)果來(lái)看，尾部呆木末端形成了2個(gè)明顯的泄出渦向船尾運(yùn)動(dòng)。從流線可以看出，向船尾運(yùn)動(dòng)的泄出渦呈明顯的螺旋線形式，是名副其實(shí)的“渦”。

圖1 直航工況計(jì)算域和邊界條件設(shè)置Fig. 1 Domain and boundary conditions of straight sailing condition

圖2 回轉(zhuǎn)工況計(jì)算域和邊界條件設(shè)置Fig. 2 Domain and boundary conditions of turning condition

需要注意的是：2股泄出渦在向后運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一直與船體平板龍骨保持一定距離。呆木末端的低壓區(qū)和高強(qiáng)度泄出渦使呆木相應(yīng)位置有發(fā)生空化的可能，需要特別注意。

圖3 直航工況尾部壓力分布Fig. 3 Pressure distribution on stern under straight sailing condition

圖4 直航工況等渦面及其表面壓力分布Fig. 4 ISO-surface of vortex and its pressure distribution under straight sailing condition

圖5 直航工況等渦面及附近流線Fig. 5 ISO-surface of vortex and streamlines

1.3 回轉(zhuǎn)數(shù)值分析

對(duì)回轉(zhuǎn)工況下的船尾流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析。圖6為中等舵角回轉(zhuǎn)工況下的尾部壓力分布。在回轉(zhuǎn)工況中，呆木末端壓力上升明顯，這意味著該處發(fā)生空化的可能也在降低。圖7為尾部流場(chǎng)的Q準(zhǔn)則等值渦面及渦面上的壓力分布?；剞D(zhuǎn)工況下，尾部呆木末端仍然會(huì)形成2股泄出渦，但泄出渦體積和強(qiáng)度大幅度減弱。呆木末端壓力有所升高，泄出渦的強(qiáng)度減弱，這意味著回轉(zhuǎn)工況下呆木發(fā)生空化的概率會(huì)降低。

圖6 回轉(zhuǎn)工況尾部壓力分布Fig. 6 Pressure distribution on stern under turning condition

圖7 回轉(zhuǎn)工況等渦面及其表面壓力分布Fig. 7 ISO-surface of vortex and its pressure distribution under turning condition

2 數(shù)值分析結(jié)果

從數(shù)值分析結(jié)果來(lái)看，直航狀態(tài)時(shí)尾部呆木末端存在明顯的低壓區(qū)和泄出渦。而回轉(zhuǎn)工況下呆木末端的低壓區(qū)和泄出渦上的壓力均有所升高，回轉(zhuǎn)工況發(fā)生尾部流場(chǎng)空化的可能性也會(huì)有所降低。究其原因是因?yàn)橹焙焦r下呆木末端附近的流動(dòng)以從下到上的垂向流動(dòng)為主，而回轉(zhuǎn)工況中呆木附近的流動(dòng)以從左到右（右舵回轉(zhuǎn)時(shí)）的側(cè)向流動(dòng)為主。垂向流動(dòng)由于船型特征存在突然擴(kuò)張，這種突擴(kuò)會(huì)引起壓力急劇降低[15]。

船上發(fā)生的空泡很大一部分都是由渦流產(chǎn)生，比如螺旋槳梢渦或轂渦空泡，懸掛舵葉下端的空泡等等。對(duì)本船而言，呆木末端為全船壓力最低點(diǎn)，在該點(diǎn)又形成了高強(qiáng)度的渦流，這種低壓和高強(qiáng)度泄出渦的疊加很可能會(huì)形成空泡。這個(gè)潛在的問(wèn)題在船體線型設(shè)計(jì)時(shí)尤其需要注意。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)一艘?guī)Т裟镜拇拔膊苛鲌?chǎng)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1）船舶直航時(shí)，呆木末端是全船壓力最低點(diǎn)且呆木末端有明顯的泄出渦產(chǎn)生，呆木末端處存在空化風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)予以特別關(guān)注。

2）船舶回轉(zhuǎn)時(shí)，呆木末端壓力有所升高，且沒(méi)有明顯的泄出渦出現(xiàn)。

3）CFD數(shù)值技術(shù)有助于發(fā)現(xiàn)船舶設(shè)計(jì)初期的的潛在問(wèn)題。

船舶尾流場(chǎng)一直是船舶外流場(chǎng)最復(fù)雜的區(qū)域，其對(duì)尾部各附體都有影響。本文開展的尾部呆木流場(chǎng)分析對(duì)后續(xù)的船舶設(shè)計(jì)和建造具有一定的參考意義。