减摇鳍与舭龙骨不同组合方式对船舶快速性影响研究

许 辉 陈 立 秦江涛

（中国舰船研究设计中心1） 武汉 430064） （武汉理工大学交通学院2） 武汉 430063）

0 引 言

为了改善船舶在大风浪中航行时的耐波性能，减小船体的六自由度运动，尤其是横摇运动，通常在设计中采取各种主动或被动减摇措施，主要包括设置舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱、减摇舵、以及减摇鳍与减摇水舱联合减摇、舵鳍联合减摇等［1－3］.其中，舭龙骨和减摇鳍应用得较为广泛，舭龙骨固定安装在船体舭部，主要通过龙骨板正背面的压差、以及改变船体表面压力分布从而增大横摇阻尼，起到减摇的作用，且舭龙骨的减摇效果不受航速影响；减摇鳍主要通过控制系统的作用不断改变鳍角从而产生稳定力矩来实现减摇，其减摇效果受航速影响，在低速时较差.为了保证船舶在所有航速范围内均具有较明显的减摇效果，舭龙骨和减摇鳍经常被同时装配在船体上［4－5］.

根据舭龙骨和减摇鳍布置的相对位置不同，一般有3种组合方式：连续式舭龙骨配合前后鳍、连续式舭龙骨配合前鳍、间断式舭龙骨配合中间鳍.由于舭龙骨、减摇鳍均处在船体边界层和舭部涡流区内，相互之间必然存在较为复杂的干扰，例如针对连续式舭龙骨配合前后鳍的组合方式，哈尔滨工程大学［6］曾通过在稳定流场中测试不同转鳍角下舭龙骨和后鳍上升力的变化，来分析鳍与舭龙骨之间的水动力干扰.

研究表明，舭龙骨和减摇鳍的阻力一般占裸船体阻力的7%～12%，为了全面了解两者不同的组合方式下的水动力干扰情况，在改善耐波性的同时尽可能减小船体阻力，本文重点研究了不同的舭龙骨和减摇鳍组合方式对快速性的影响.

1 数值仿真研究

1.1 数值仿真模型及前处理

以某船型为例，对图1所示的方案1（主船体＋连续式舭龙骨＋前后2对鳍）、方案2（主船体＋连续式舭龙骨＋前面1对鳍）、方案3（主船体＋间断式舭龙骨＋中部1对鳍）分别进行粘性流场数值仿真，其中3个方案的舭龙骨总长相等，宽度相等，减摇效果相当，方案2和方案3的减摇鳍展舷比大于方案1.

数值计算域为一1／4圆柱体，见图2.采取分块混合型网格划分，共划分约300万个计算网格，以方案1为例给出局部网格划分情况，见图3.

图1 数值仿真计算模型

图2 数值仿真计算域

图3 局部网格划分图

1.2 数值仿真结果及分析

采用FLUENT软件进行数值仿真，考虑到舭龙骨和减摇鳍均安装在距离水面较深的船体舭部，因此仿真中采用合模处理，忽略兴波阻力的影响，重点对粘性阻力进行计算.

1）横剖面内流线对比分析 取图1中A，B，C3个横剖面内的流线进行对比，见图4.

图4 横剖面内流线图

剖面A为前鳍所在的位置，方案1和方案2由于存在前鳍，在舭部产生了明显的涡，而方案3由于没有前鳍，该剖面内的舭部流线比较顺畅；剖面B为船舯位置，方案1和方案2受前鳍诱导作用产生了舭龙骨涡系，方案3由于鳍的存在产生明显的涡；剖面C为后鳍所在位置，方案1由于鳍的存在以及舭龙骨涡系的影响，存在明显的涡，方案2和方案3由于在该部位不存在鳍，因此流线略为顺畅.

2）船体表面压力等值线对比分析 图5为3个方案的船体表面压力等值线图，图中箭头所指的部位为舭龙骨的高压区，图中显示由于舭龙骨和减摇鳍的组合方式不同，3个方案的压力分布也存在一定的差异.

图5 船体表面压力等值线图

3）粘性阻力计算结果对比分析 文中对1∶30缩尺比模型进行仿真，得到对应实船32kn时的模型粘性阻力结果见表1.

表1 粘性阻力计算结果 N

上表显示，3个方案的船体阻力较为接近，当采用一对减摇鳍时，鳍装在船体前部比装在船体舯部的阻力性能好.

2 模型试验研究

对上述3个方案开展模型试验，同时考虑到减摇鳍存在固定式和收放式，收放式鳍在静水中不产生附加阻力，对考核静水航速的船舶有利.因此将方案1的鳍做固定式考虑，将方案2和方案3的鳍做收放式考虑，在模型试验中增加了方案2和方案3的鳍不工作，全部收在船体内的阻力试验.将模型试验结果换算至实船后结果见表2.

表2 模型试验结果比较

由表2可知，根据模型试验结果方案1、方案2、方案3的总阻力变化规律与仿真结果相一致，另外，从定量上分析，在30kn时两对固定式减摇鳍的阻力约占裸船体阻力2.8%，18kn时两对固定式减摇鳍的阻力约占裸船体阻力2.5%，即相当于在前部安装全收放式减摇鳍，当鳍不工作时可达到以上减阻效果，反映到航速上，在前部安装全收放式减摇鳍比两对固定式减摇鳍可提高静水中的最大航速约0.13kn.

3 结 论

减摇鳍和舭龙骨是船舶附体中的重要减摇装置，但是通过附体优化设计来提高快速性也是船舶设计的重点.文中对不同舭龙骨与减摇鳍的布置组合，以及与固定式、收放式减摇鳍的配合，通过数值仿真和模型试验分析，得到了与快速性相关的结论：

1）采用前后两对固定式减摇鳍＋连续式舭龙骨、或前面1对固定式减摇鳍＋连续式舭龙骨、或舯部1对固定式减摇鳍＋间断式舭龙骨3种组合方式时，在减摇效果相当的情况下阻力性能差异不大，尤其是在高速段时阻力的差异在1%以内.

2）当采用1对减摇鳍时，前面1对固定式减摇鳍＋连续式舭龙骨的布置方式比舯部1对固定式减摇鳍＋间断式舭龙骨的布置方式对阻力性能有利，且前者采用收放式减摇鳍时，在鳍不工作的情况下对提高静水航速最有利.

3）在前部安装全收放式减摇鳍，鳍不工作时相对于两对固定式减摇鳍方案，可提高静水中的最大航速约0.13kn.

［1］杨 辉，宋金龙.船舶减摇方式介绍及发展趋势［J］.江苏船舶，2007（5）：55－58.

［2］董美华，马汝建，赵 东.船舶减摇技术研究进展［J］.济南大学学报：自然科学版，2008（1）：42－46.

［3］金鸿章，赵为平.大型船舶综合减摇系统研究［J］.中国造船，2005（2）：88－92.

［4］吴秀恒，施生达.船舶操纵性与耐波性［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［5］XIE Nan，ALOS D V，LEE B S.Prediction of roll hydrodynamics of cylinders fitted with bilge kells with RANS［J］.Journal of Ship Mechanics，2007，11（6）：65－71.

［6］丁 勇，李积德.鳍与舭龙骨的水动力干扰［J］.中国造船，1998（3）：48－53.