謝云平，曹鎰銘，李悅澤，恒乙鑫，戴 可，王成剛

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著海上“絲綢之路”的不斷建設(shè)，我國進出港船舶數(shù)量與日俱增，各個港口引航需求逐步提升。性能優(yōu)良的引航船是引航交接工作過程中不可或缺的重要交通裝備，所以對其船型及阻力性能的研究具有一定的實際意義和應(yīng)用價值。

通常，高速引航交通船船型大多為V 型。對于其折角線長度對性能的影響已經(jīng)有了一系列探究[1-2]，包括與折角線形狀相關(guān)的船底斜升角大小、船首折角線高度等參數(shù)給出了使用范圍[3-4]，但還不夠細致。本文在某V 型的基礎(chǔ)上，針對折角船型的折角線形狀，通過選取較敏感的參數(shù)進行更加深入、更加系統(tǒng)的研究，以期對折角船型的研究做出有益的補充，同時為折角線的設(shè)計把控提供一些參考。

1 船型設(shè)計

1.1 基本船型概述

1.1.1 基本船型主要參數(shù)

本文選取某高速引航V 型艇作為基本船型，采用雙噴水推進器，設(shè)計航速為28 kn。其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 某高速引航V 型艇主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of a high-speed pilot V-boat

1.1.2 基本船型型線

基本船型為單折角線、前傾首與垂直尾型線，其折角線最大寬度為0.9B（距船首垂線40 %L）；尾封板處寬度與折角線最大寬度的比值為0.8；折角線與水線交點距首垂線1/3L，與首柱交點高為1.5 m；中部斜升角為18°，并尾部逐漸減小。

1.2 系列船型方案設(shè)計

V 型艇的折角線是一條復(fù)雜的三維曲線，它的形狀及參數(shù)關(guān)聯(lián)著船型幾何形狀及其性能。本文以阻力性能為考量，在不改變船舶的主要船體參數(shù)及排水體積的原則下，通過折角線參數(shù)的進一步分析與改變，來生成系列船型方案。

1.2.1 折角線參數(shù)的選擇

根據(jù)文獻[5]，確定船首垂線與折角線交點A、設(shè)計水線與折角線交點B、折角線最大寬度點C、尾封板與折角線交點D 為折角線的控制點?？紤]到ZB的值與設(shè)計吃水T相同，XD值和尾封板的位置相同，故最終確定研究的控制點參數(shù)為：XB、XC、YC、YD，如圖1 所示。

圖1 折角線參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the corner line parameters

通過改變其在X、Y、Z方向上的參數(shù)值就可以相對便捷地控制折角線的整體形狀。

1.2.2 生成系列船型方案

根據(jù)文獻[6]可知，設(shè)計水線與折角線交點距首垂線為(1/3～1/4)L；折角線最寬處橫剖面距首垂線(30%～50%)L、最寬值為(0.68～0.97)B；尾封板處折角線寬度為(0.65～0.8)倍的折角線最大寬度。據(jù)此，通過各參數(shù)選取初始值和終值，同時設(shè)置一定步長，再利用排水體積不變的衡準條件，可優(yōu)選出表2所示的5 個系列折角線船型方案。以方案1 為例，引航船船型型線如圖2 所示。

圖2 方案1 型線示意圖Fig.2 Scheme 1 type line schematic diagram

表2 系列方案折角線參數(shù)Tab.2 Series scheme folding line parameters

2 數(shù)值仿真方法研究

2.1 理論計算

利用文獻[6]中的無斷級滑行艇阻力的回歸公式計算某V 型艇1:10 縮放船模在排水體積傅汝德數(shù)分別為2 和3 時的裸船體阻力。艇體計算所需相關(guān)形狀參數(shù)如表3 所示。

表3 艇體相關(guān)形狀參數(shù)Tab.3 Hull-related shape parameters

當Fr?=2 時，計算過程如下：

基本船型所有參數(shù)均符合回歸公式要求，計算4 個獨立變量如下：

基本船型船體模型排水量只有28.2 t，小于模型艇的排水量45 t，所以需進行雷諾數(shù)修正。首先計算縮尺比與基本船型雷諾數(shù)，計算結(jié)果如下：

當Fr?=3時，計算方法同上，船模阻力為37.7 N。

2.2 計算域和網(wǎng)格設(shè)置

建立計算域，將1:10 縮放的船體模型導(dǎo)入STAR CCM+，根據(jù)船模主尺度建立試驗水池計算域HULL。選取計算域坐標點為角1：[-5L,-2L,-2L]；角2：[2L,2L,1L]。計算域設(shè)置情況如圖3 所示。

圖3 船模計算域Fig.3 Ship model computational domain

運用重疊網(wǎng)格方法，建立剛好能包裹住船體的長方體計算域overset，使其與船體模型進行減運算，作為重疊網(wǎng)格區(qū)域，如圖4 所示。另外將船首、船后流場與自由液面處進行適當加密，如圖5所示。

圖4 overset 區(qū)域Fig.4 Overset area

圖5 加密區(qū)域Fig.5 Encrypted area

分別為HULL 與減運算新建自動網(wǎng)格，選取表面重構(gòu)、自動表面修復(fù)、切割體網(wǎng)格單元生成器及棱柱層網(wǎng)格生成器并設(shè)置各項參數(shù)。網(wǎng)格參數(shù)的選取決定了網(wǎng)格的質(zhì)量，各個參數(shù)間有一定的比例關(guān)系，需根據(jù)效果不斷調(diào)整，本研究選取網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸0.15 m，棱柱層層數(shù)為6，計算域HULL 的網(wǎng)格需要添加6 個面及水線面處的自定義控制，而減運算網(wǎng)格需添加船體表面的加密控制。通過網(wǎng)格的無關(guān)性驗證，最終確定網(wǎng)格數(shù)約為83 萬。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.6 Meshing results

2.3 其他計算設(shè)置

新建物理連續(xù)體，選用三維隱式不定常求解器、歐拉多相流模型、SSTk-ω湍流模型和靜水VOF 波模型，在歐拉多相流中設(shè)置水與空氣2 個相并選擇對應(yīng)模型，波速設(shè)置為航速，水位點高度設(shè)置為船模吃水。對船體及區(qū)域HULL 的6 個邊界面進行設(shè)置：船體表面設(shè)為不可滑移壁面，inlet、top、bottom 為速度進口；outlet 為壓力出口；back、front 為對稱平面。選取相應(yīng)的物理條件，其中，速度進口與壓力出口類型的邊界需加入阻尼進行消波，來避免邊界對波浪的反射作用，阻尼長度一般為船長或波長的2 倍。

設(shè)置報告和繪圖，建立船行波場景，時間步設(shè)置為0.01 s，最大內(nèi)部迭代為10。

2.4 仿真方法驗證

在靜水、航速21.6 kn（Fr▽=2）的工況下，船模速度為3.5136 m/s，基本船型阻力仿真計算結(jié)果如圖7所示。可以看出，船模阻力值逐漸穩(wěn)定至32.7 N，與理論計算值相差6.7%；當航速為31.8 kn（Fr▽=3）時，船模速度為5.1728 m/s，仿真方法同上，仿真結(jié)果為37.3 N，誤差為1.1%。對仿真結(jié)果和理論計算結(jié)果進行比較，產(chǎn)生的誤差在可接受范圍內(nèi)，證明了此數(shù)值仿真方法的可靠性，能夠用于以下研究。

圖7 阻力仿真結(jié)果Fig.7 Resistance simulation results

3 阻力數(shù)值仿真結(jié)果與分析

運用上述阻力數(shù)值仿真方法對基本船型和系列船型的阻力分別在20 kn(Fr▽=1.88)、24 kn(Fr▽=2.26)、28 kn(Fr▽=2.9)、32 kn(Fr▽=3.32)下進行數(shù)值仿真計算，阻力仿真結(jié)果見表4，阻力變化趨勢如圖8所示。

圖8 阻力仿真結(jié)果對比圖Fig.8 Comparison of resistance simulation results

表4 靜水阻力仿真結(jié)果Tab.4 Hydrostatic resistance simulation results

可知，包括基本船型在內(nèi)的6 個船型方案，其靜水阻力基本隨速度提高而變大，但對于方案1 和方案2 來講，但航速達到28 kn 后，其阻力有減小趨勢。說明，否則會影響其起滑航態(tài)。

在以上方案中，方案2 靜水阻力性能最優(yōu)，在航速32 kn 時的阻力值比基本船型同速的阻力值下降20% 以上；而方案3 阻力性能相對較差，在航速28 kn 時的阻力較基本船型增大10%以上。究其原因，可能是折角線最大寬度及其位置距船尾的距離對航行姿態(tài)有較大的影響。

4 結(jié) 語

在某引航高速船V 型船的基礎(chǔ)上，分析折角線相關(guān)參數(shù)及變化范圍，從而生成了折角線形狀不同的系列船型方案，并進行了阻力數(shù)值仿真分析與計算。得到以下結(jié)論：1）方案2 體現(xiàn)了較優(yōu)越的阻力性能。2）折角線與設(shè)計水線交點距船尾的距離XB、折角線最大寬度YC及其位置距船尾的距離XC對其阻力性能有較大影響?？紤]到數(shù)值仿真方法的局限性，上述結(jié)論還有待通過實船試驗對其進一步研究。