基于圆球型球鼻艏构型的兴波阻力减阻特性分析

张文山，卢晓平

海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033

基于圆球型球鼻艏构型的兴波阻力减阻特性分析

张文山，卢晓平

海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033

球鼻艏减阻的机理至今尚未完全清晰，开展基于圆球型球鼻艏构型对兴波阻力影响机理的研究，对揭示球鼻艏的减阻机理，充分发挥球鼻艏对水面舰船的消波减阻效果具有基础性的重要意义。针对DTMB 5415船型，利用CFD计算软件STAR-CCM，分析前伸出球鼻艏主要构型参数对兴波阻力的影响及其机制。设置几组前伸出球鼻艏，其主要构型参数的前伸量与半径各异，结合采用已知试验数据和CFD计算数据分析阻力的变化规律，以及球鼻艏减阻的机理。结果表明，在特定的傅汝德数条件下，球鼻艏纵向位置和半径对兴波阻力的影响较为显著。

兴波阻力；球鼻艏构型；DTMB 5415船型；CFD

0 引 言

球鼻艏构型优化是船舶水动力性能优化的几个重要项目之一，设计优良的球鼻艏具有较好的减阻效果，进而能够很好地改善船舶运营的经济性。在船舶设计领域，由于军用水面舰船多需要安装声呐导流罩，且因实际空间布置的原因而不能安装具有减阻能力的球鼻艏，故具有减阻效果的球鼻艏多见于民船。而声呐导流罩一般只根据声呐安装的技术性能而布置，故并不具有减阻的功能［1-2］。高速水面舰船加装减阻球鼻艏仍是近年来国内外的前沿研究课题。自上世纪60年代起，球鼻艏减阻研究主要集中在3个方面：以兴波阻力最小为目标的球鼻艏构型变分法优化研究［3-5］；以兴波阻力理论结合数学规划法、遗传算法等多种数学优化算法的球鼻艏优化研究［6］；基于不同构型球鼻艏船型的波形测量和波形分析计算，通过与试验相结合的方法进行球鼻艏构型减阻设计［7］。而球鼻艏构型对于阻力影响的机理实际上并没有得到明确的证实，也很少有针对这方面的深入细致研究，更未见有采用当代船舶CFD数值模拟新技术研究水面舰船球鼻艏减阻机理的文献发表。尽管球鼻艏减阻的研究不属于新的研究领域，但其中存在着大量基础理论和实际应用方面的问题迫切需要研究解决，以适应水面舰船节能减排的时代特征。

本文拟采用CFD数值模拟手段，深入开展圆球型球鼻艏构型参数对于水面舰船阻力性能影响和机理的研究。在研究过程中，充分考虑影响阻力性能的球鼻艏的几个关键参数，在参考前人研究成果的基础上，以DTMB 5415作为母型船，设置几组具有代表性的改型，通过对比不同构型球鼻艏的减阻效果，分析得出圆球型不同球鼻艏参数对减阻效果的影响。

1 圆球型球鼻艏构型分析和球鼻艏船型阻力CFD计算

1.1 圆球型球鼻艏构型分析

为简化球鼻艏构型和CFD计算建模，并便于阻力特性分析，将本文的研究对象——球鼻艏确定为简单的几何体，即圆球。其对阻力特性影响较大的主要几何参数和要素为：

1）球鼻艏纵向位置：指圆球型球鼻艏首端与无圆球球鼻艏水线前端之间的水平距离，建模时，取2%～5%的设计水线长。

2）垂向位置：指球鼻艏中心轴线距水线面的垂向距离，在本文的几组改型中，圆球形球鼻艏的垂线高度选取原则为球鼻艏下边缘与船体底部延长线相切。

3）球鼻艏半径：指形成球鼻艏的圆球或球冠半径，球鼻艏与主船体相互分离时，取为圆球半径，如图1所示；球鼻艏与主船体贯穿连接时取为端部半球或球冠半径，如图2所示。

图1 计算模型DTMB 5415的01改型方案图示Fig.1 The remodelment 01 scheme of calculation model DTMB 5415

图2 计算模型DTMB 5415的11改型方案图示Fig.2 The remodelment 11 scheme of calculation model DTMB 5415

4）球鼻艏与主船体的连接方式：为探讨球鼻艏减阻的机理，在采用CFD软件STAR-CCM对球鼻艏进行建模和阻力计算时，特设计了球鼻艏01改型方案，该方案的球鼻艏与船体无实际的连接，如图1所示；而球鼻艏的11改型与船体间则有光顺的圆柱贯穿式连接，如图2所示。在后续的模型试验过程中，图1所示的分离式球鼻艏将利用从船艏延伸出的细杆状构件来固定其位置，要求杆件便于调节球鼻艏的位置，且细杆的强度足以确保在试验测试过程中无形变。

由于加装减阻球鼻艏使得DTMB 5415原型声呐导流罩并不能如同原型一样正常安装使用，故对DTMB 5415船型艏部进行了改型，即去除声呐导流罩形成基本船型DTMB 5415G，如图3所示。

图3 计算模型DTMB 5415G型方案图示Fig.3 The scheme of calculation model DTMB 5415G

在加装球鼻艏和球鼻艏的改型过程中，排水量会略有变化，但因变化量很小，在0.5%以下，故在阻力特性分析对比中可忽略不计；另浸水面积也会有所增加，变化量小于1%，为消除浸水面积变化的影响，在摩擦阻力和各种阻力计算中均计入了这项变化。

如前所述，球鼻艏的形状为圆球形，有关其半径的计算可参考文献［7-8］。据线性兴波阻力理论给出的公式确定，在给定纵向位置和浸水深度时，计算球鼻艏最佳理论半径的各公式如式（1）～式（4）所示：

以上式中：θ为波向角；T为船吃水；U为均匀来流速度；M为偶极子强度；α0为主船体水线面进流角；L为船长；Δx为球鼻艏纵向伸长量；f为球鼻艏浸水深度。

根据给定的纵向位置和浸水深度，计算得出的球鼻艏最佳理论半径随傅汝德数变化的曲线如图4所示。

图4 DTMB 5415最佳球鼻艏半径Fig.4 The best radius of bulbous bow of DTMB 5415

由式（1）～式（5）可见，球鼻艏半径与球鼻艏前伸量Δx是相关联的，但球鼻艏前伸量Δx对球鼻艏半径R的计算结果影响不大，为分别考察球鼻艏纵向位置和半径对减阻效果的影响，在计算分析中将这2个主要参数视为了独立的输入变量。而且由于球鼻艏垂向位置对阻力的影响随航速的变化不如纵向位置对阻力的影响敏感，为使分析结论更加明确，暂将垂向位置取为确定值。

通过Matlab编程，最终得出理论最佳圆球型球鼻艏半径如表1所示。表中，最佳半径大致在0.129 4～0.141 0 m之间，是按巡航速度确定的数值［9］；球鼻艏前伸量（纵向位置）通过结合以往的研究结果、建造工艺和目标船型使用特性来确定［5，7，9-10］，为独立输入参数。后文将采用CFD方法计算分析球鼻艏的减阻效果和机理，即采用基于表1所示的球鼻艏参数进行。

表1 改型球鼻艏构型参数Table 1 Bulbousbow configuration parameters of remodelments

1.2 阻力CFD计算和计算结果处理

采用粘性流动CFD数值模拟软件STAR-CCM对基本船型DTMB 5415G，以及加球鼻艏船型DTMB 5415-01和DTMB 5415-11的流场与阻力进行数值模拟和计算。

对于基本船型DTMB 5415G和加球鼻艏船型DTMB 5415-11，按照工程应用中处理高速水面舰船兴波阻力系数最常用的傅汝德方法［10］，可采用剩余阻力作为兴波阻力的表征，即认为剩余阻力的主要成分为兴波阻力，二者近似相等：

式中：Cw为兴波阻力系数；Cr为剩余阻力系数。各阻力系数均采用工程中常用的表达式定义，即

式中：Rw为兴波阻力；Rr为剩余阻力；ν为粘性系数；ρ为水密度。其中基本船型DTMB 5415G的浸湿面积S按光体计算，DTMB 5415-11船型则计入了加装球鼻艏改型产生的表面积变化。而从物理意义上来说，Cr的主要成分应该是压差阻力Cp，故直接由STAR-CCM软件按同时计入波面影响和粘性影响的压差阻力确定。

对DTMB 5415-01系列船型，球鼻艏与主船体相互分离，因由圆球流动分离产生的尾涡所引起的粘压阻力（即形状阻力）量值较大，故直接由STAR-CCM软件按压差阻力计算得出的Cr(≈Cp)的量值会较Cw显著偏大，若仍按傅汝德数假设，采用Cr表征Cw会得出不合理的结果（由Cp数值计算结果与Cw预估结果的分析对比可以发现）。由此，本文提出在求DTMB 5415-01船型的兴波时应扣除圆球的粘压阻力，即

为验证以上方法所得计算结果的正确性，按该方法对母型船DTMB 5415的总阻力和剩余阻力进行了数值计算，并将数值计算结果与模型试验结果［12］进行了对比，如图5和图6所示。其中，图5所示为对DTMB 5415模型总阻力数值计算值与模型试验测试值的比较，图6所示为剩余阻力结果的比较。

图5 DTMB 5415总阻力试验与计算值的对比Fig.5 Comparison of the total resistance coefficients between experimentvalues and calculated values with DTMB 5415

图6 DTMB 5415剩余阻力试验与计算值的对比Fig.6 Comparison of the residual resistance coefficients between experiment values and calculated values with DTMB 5415

由图5和图6可以看出，模型总阻力和剩余阻力的理论计算值与试验值整体趋势一致，在数量上偏差较小。其中，总阻力计算值的最大偏差小于10%，剩余阻力计算值的最大偏差值小于8%，最大偏差均出现在低速区，已超出所研究高速排水型方尾水面舰船目标船型的实用航速低速范围，且在该低速区舰船的有效功率和主机能耗均较小，主机的功率储备很充分，可见以上量级的偏差在工程实用允许范围内。另由图可见，在目标船型常用的中、高速区间，计算值与试验值的趋势和数量符合得更好。综上所述，说明采用CFD数值模拟方法和软件准确、有效，适于船型的阻力对比研究和对球鼻艏减阻机理的分析探讨。

2 球鼻艏减阻效果分析

由上述方法计算得出的相关加球鼻艏船型方案的剩余（兴波）阻力系数曲线如图7和图8所示（均表示分离球鼻艏与贯穿球鼻艏船型方案兴波阻力的比较状态）。图7与图8中，2种船型方案的区别在于2种球鼻艏位置的前伸量不同。

图7 改型01-05与改型11-05方案的兴波阻力系数对比Fig.7 Comparison of wave-making resistance coefficients between remodelments 01-05&11-05

图8 改型01-06与改型11-06方案的兴波阻力系数对比Fig.8 Comparison of wave-making resistance coefficients between remodelments 01-06&11-06

由图7和图8的对比可见，扣除了分离式圆球鼻艏粘压阻力（形状阻力）后的01改型的兴波阻力与11改型的兴波阻力趋势相同，两组曲线对比差异较小。由此可得，在前伸型球鼻艏的设计过程中，球鼻艏与船体的光顺连接是船舶减阻的重要因素。分离式球鼻艏与贯穿连接式球鼻艏的一个不同之处在于，对于相同参数的球鼻艏，贯穿连接式球鼻艏船型的相对进流长度要大于分离式球鼻艏船型，而由图7、图8中的2组曲线对比可得出，球鼻艏减阻的机理在于球鼻艏波与船体波这两者叠加相消了，而非由相对进流长度的变化所引起。

为对比球鼻艏半径与纵向前伸量的不同对减阻效果的影响，采用CFD方法计算得出了如图9和图10所示的阻力曲线。由图9和图10，可得出球鼻艏半径和纵向位置对减阻效果影响的初步规律，概括如下：

图9 原型与改型计算总阻力对比Fig.9 Comparison of the total resistance coefficients between prototype and remodelments

图10 原型与改型计算剩余阻力对比Fig.10 Comparison of the residual resistance coefficients between prototype and remodelments

1）对于给定的球鼻艏纵向位置，存在一个临界速度值［13］，越过该速度值，球鼻艏船型会呈现显著减阻的趋势。

2）球鼻艏的减阻效果并不适用于全速度区间。

3）半径变化对减阻效果亦有较大影响。总的趋势是，在本文所选择的参数范围内，减小半径对减阻效果有利，此时，减阻的幅度和区间均显著增加。因此，在调节球鼻艏纵向位置以实现大幅度减阻之前，应先确定减阻效果好的球鼻艏半径。

3 结 语

本文在DTMB 5415船型加装减阻球鼻艏前、后，采用CFD进行了仿真模拟和数值理论计算，并将计算所得的阻力值与试验数据进行了分析。首先，将原船型的试验数据与计算数据进行对比，验证了CFD计算的可行性和有效性。其次，在研究过程中采用分离球鼻艏的形式，得出球鼻艏减阻的主要机理在于球鼻艏兴波与船体兴波的相互叠加、相互抵消。最后，通过原型与改型的对比，得出球鼻艏构型参数对兴波阻力性能的影响，进而推及至球鼻艏参数对减阻效果的影响。计算结果显示，在不同傅汝德数Fn条件下，这些改型在舰船中、高速段（Fn=0.36～0.45，对应于实船航速26.1～32.6 kn）能够实现较好的减阻效果。其中兴波阻力能够在Fn=0.45时最大减小35%，相应地，总阻力最大能够减小25%。

同时，还尝试采用基于特定球鼻艏构型的CFD方法对兴波阻力减阻特性进行研究，在高速水面舰船水动力性能研究中具有优良和广阔的应用前景，为了更直接地验证相关结论，今后可增加相应的试验。

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Wave-making resistance reduction characteristics based on spherical bow configuration

ZHANG Wenshan，LU Xiaoping
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Nowadays,the mechanism of a bulbous bow on resistance reduction is still ambiguous.By carry⁃ing out a study of wave-making resistance based on spherical bow configuration,we can reveal the truth of the problem and find out the effect of reducing resistance and suppressing waves of a bulbous bow on a sur⁃face combat ship.As such,the study is fundamentally meaningful.As to ship type DTMB 5415,CFD soft⁃ware STAR-CCM was utilized to analyze the effect and mechanism of the bulbous bow's main configuration parameters on wave-making resistance.To this end,several groups of extended bulbous bows with extend⁃ed reach and various radius parameters were first set up.Next,analyses were carried out of the variation of resistance and the mechanism of the bulbous bow on resistance reduction,which associate with the known experimental data and CFD calculated data.The final results show that,in certain circumstances,the Froude number,vertical position and radius of the bulbous bow have vital and obvious influences on wave-making resistance.

wave-making resistance；bulbous bow configuration；DTMB 5415 ship type；Computational Fluid Dynamics（CFD）

U661.31+1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.004

2016-05-19

2016-12-28 16:01

张文山，男，1991年生，硕士生。研究方向：舰船水动力性能研究。E-mail：zwsrn0706@163.com卢晓平（通信作者），男，1957年生，博士，教授。研究方向：舰船水动力性能研究。E-mail：luxiaoping100@163.com。

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1601.034.html期刊网址：www.ship-research.com

张文山，卢晓平.基于圆球型球鼻艏构型的兴波阻力减阻特性分析［J］.中国舰船研究，2017，12（1）：21-26. ZHANG W S，LU X P.Wave-making resistance reduction characteristics based on spherical bow configuration［J］. Chinese Journal of Ship Research，2017，12（1）：21-26.