三体船阻力数值计算及方案优选

1 引 言

三体船的形式多种多样，一般来说，典型的三体船水下部分由中间主体和对称布置于两侧的侧体共3个细长片体组成，中间主体长宽比大约在12～18之间，侧体长宽比一般大于20，主体排水量占总排水量的85%～95%。由于三体船具有一系列突出的优点，因此无论在军用还是民用领域，世界各国都投入了大量研究[1,2]。相关文献表明，侧体布置位置对三体船的阻力性能影响较大，在航行时主、侧体之间产生相互干扰，如果侧体位置适当，可以降低阻力。结合三体船的阻力性能来研究侧体布局是三体船船型优化的重要内容之一。在国内，三体船阻力计算方法多为基于线性兴波理论的理论计算，这种方法计算方便，但难以说明对船型的敏感度。而随着CFD技术的发展，三维粘性流RANSE方法在多体新船型水动力性能方面的计算应用日趋增多，它能较精确地预报多体船阻力及求解其周围特别是尾部流场细节。本文即针对某三体船初步方案将CFD技术应用到不同的侧体布局方案的三体船阻力性能研究中，并对结果进行分析比较，然后在此基础上从计算方案中选出优选方案。

2 船池模型方案数值模拟

2.1 船池几何模型

侧体布局可由侧体相对于主体的横向、纵向位置b、L表示(图1)，b为主体和侧体中纵剖面之间的距离，L为主体和侧体中横剖面之间的距离。

图1 三体船主、侧体相对位置

船池试验三体船型的主、侧体之间的位置关系为：b为1.34Bwl，L为0.29Lpp，Lpp为主体垂线间长，Bwl为主体设计水线宽。模型总长度约为5 m，吃水为0.2 m，以船池模型按1∶1建立用于计算的几何模型。

2.2 数值模型

考虑到三体船左右对称，本文取右舷一侧进行计算。计算区域为一长方体，计算区域入口取主体艏部向上游延伸至1倍主体船长处、出口取艉部向下游延伸至3倍主体船长处；区域左边界为对称面(主体纵中剖面)；区域右边界是由对称面向右舷方向延伸0.5倍主体船长[3]；计算区域高度约0.8倍主体船长，区域上边界取设计水线面向上约4倍吃水高度处。

本文采用空间全六面体网格来划分计算区域，在对网格相关参数设置时，对计算敏感区(船体壁面附近、尾流区、外形曲率大的表面处)的网格进行加密，即在近船体区域设定较密的网格，然后以一定的膨胀系数外推，以满足计算需要。网格划分见图2、图3。

图2 计算区域计算局部网格

图3 计算区域表面的网格划分

对所有未知变量，合理地给出边界条件是进行模拟计算的必要条件。计算域的边界条件分为速度进口、压力出口、自由滑移壁面、对称面及不可滑移壁面。给定初始自由表面及水和空气的体积分数。计算中选取6个速度点。

2.3 控制方程和湍流模型

三体船粘性流场的连续方程和动量方程为：

(1)

(2)

+Gk-ρε

(3)

(4)

(5)

式中，Gk为湍动能k的产生项；μt为湍动粘度；ε为湍动耗散率；k为湍动能；Cμ等经验常数取值见表1。

表1 标准κ-ε湍流模型经验常数

2.4 自由表面数值模拟

本文计算对象为排水型船舶，需要考虑自由表面问题，对绕船体自由表面粘性流进行数值模拟时，处理自由表面的数值方法有很多。HIRT和NICHOLS于1981年提出了流体体积方法(VOF)[4,5]。该方法通过定义一个流体体积函数F，用F来标志每个网格单元的状态，F的值等于一个单元内流体体积与该单元体积之比。若F=1，则说明该单元全部为指定相流体所占据；若F=0，则该单元为无指定相流体单元；当0

(6)

VOF法用F函数描述自由表面的变化过程，是目前研究自由表面问题的方法中应用较广泛并且较为理想的方法。本文采用VOF法来模拟自由表面。

2.5 计算结果及分析

对总阻力计算值和试验值进行比较分析，图4给出总阻力计算值与试验值的比较曲线。

图4 船池模型总阻力比较曲线

由图4可以看出：

1) 计算所得的静水阻力曲线和试验所得曲线发展趋势基本上一致，大体上能较好地反映三体船模型在静水中航行时的阻力特性。

2) 计算得到的三体船总阻力与模型阻力试验得到的总阻力在航速较低时比较接近，即CFX软件对于模拟低速情况下的三体船阻力还比较理想；而随着航速的增加，总阻力系数计算值与试验值产生偏差。从整个模拟结果看，模拟计算值要比试验值小。

在应用CFD技术对船舶流场进行数值计算时，计算结果产生偏差的原因可能涉及到很多因素。针对模拟时的实际情况，主要影响原因可能包括：

1) 在进行船池模型试验时，在船模艏部安装了激流丝。而在应用CFD技术模拟船模阻力时未考虑安装激流丝对船模阻力产生的影响，从而使得模拟计算值与船池模型试验值存在差异。

2) 对于湍流模型参数值的选取，计算过程中均采用该软件推荐值，而这些值是商用软件公司为了程序通用而给定的值，可能对于模拟三体船在高、低速时的流场特征不一定都适合。

通过以上计算分析，可以看出整个计算过程是稳定的，可见用CFD技术研究三体船的阻力性能是可行的，并且可以通过修改模型参数等来获得针对特定状态的计算模型，为下一步如何进一步提高多布局方案的总阻力计算精度奠定基础。

3 三体船多方案绕流场数值模拟

3.1 三体船侧体布置方案

为了掌握三体船的阻力特征，尤其是侧体位置对阻力的影响，以及在此基础上进行方案优选，确定了侧体纵、横向位置各3个[6-10]，由此得到9个模拟方案,这9个侧体布置位置方案见表2。

表2 三体船侧体位置方案

3.2 计算结果及分析

对表2中9个方案的数值模型均参照船池试验方案数值模型的相关设定来建立。文中模拟了这9个方案分别在5个航速下的粘性自由面流动。

1) 横向位置b相同时各方案的总阻力比较

图5反映了保持侧体横向位置b不变而改变纵向位置L时各方案总阻力计算值的变化情况。

图5 三体船各方案总阻力计算曲线

从图5可以看出：

(1) 每组图中的阻力曲线均有交叉现象，这说明对于横向位置b相同时的3个方案，在不同的航速下，对应的阻力性能较优的方案不同。

(2) 在Fr增大到一定值后，方案7、8、9的阻力性能分别优于各自对应的同组的其他2个方案。方案7、8、9是纵向偏移位置L相同(L/Lpp=30%，见表2)的3个方案且位置靠近主体尾部。

2) 同一航速下各方案总阻力系数比较

图6 三体船各方案总阻力系数比较

图6给出了在各航速下三体船各方案的总阻力系数计算值的变化情况。从图6可以看出，在速度较低时，侧体横向位置的变化对三体船总阻力的影响比较小，侧体纵向位置对三体船的总阻力影响相对较大。在不同的航速下，对应的阻力性能较优的方案不同。

根据以上对数值计算结果的分析，可以得出：

(1) 侧体纵向位置变化对三体船阻力性能的影响较大，而在纵向位置保持不变时，侧体横向位置的变化对三体船总阻力的影响较小。而且难以得出不同速度时阻力性能都十分理想的侧体布局。

(2) 对于相同的侧体横向位置，在较高速度段侧体纵向向后布置对三体船阻力性能更有利，而在速度相对较低的某一速度段内，侧体纵向位置向前布置对三体船阻力性能更有利。

(3) 由于难以得出不同速度时阻力都十分理想的侧体布局，因此从阻力性能的角度应根据常用的航速(如设计航速或常用工况等)布置三体船的侧体位置。对于这9个方案，假定在设计航速时Fr=0.39，为此主要考虑在该航速下的优选结果。比较计算结果并考虑总布置要求以及其它因素可以知道，方案8的阻力性能较优,即方案8为优选方案。并且文中得出的三体船侧体位置对三体船总阻力的影响规律和相似船型的模型试验结论一致。

4 结束语

三体船在军民两用方面均具有良好的应用前景，国外对三体船进行了大量研究及应用开发。近年来我国一些高校和科研院所也在三体船阻力理论和模型试验研究方面取得了一些进展。本文在考虑自由表面效应的前提下，模拟了三体船主、侧体不同相对位置时在不同航速下的粘性流场，通过分析计算结果来进行多方案选优。计算分析表明应用CFD技术可以有效地预报三体船流场特征及阻力，从而辅助进行三体船船型设计和性能优化，不失为一种提高研究开发效率的实用途径，有着重要的工程实用价值。

参考文献:

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[4] 张健，方杰，范波芹.VOF方法理论与应用综述[J].水利水电科技进展，2005，25(2)：67-70.

[5] QI Peng,HOU Yijun.A VOF-based numerical model for breaking waves in surf zone[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology,2006,24(1)：57-64.

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[7] 李培勇，裘泳铭，顾敏童，等.三体船阻力模型试验[J].中国造船，2002，43(4):6-12.

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