组合附体对双体船水动力性能的影响分析

邵菲, 郭志群, 韩端锋, 郑晓光

(1. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2. 大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116001)

组合附体对双体船水动力性能的影响分析

邵菲1, 郭志群1, 韩端锋1, 郑晓光2

(1. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2. 大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 116001)

双体船具有低阻力、高航速、良好操纵性和甲板宽大等优点，但是由于长宽比较小，双体船在斜浪中的扭摇运动比较剧烈。为了改善双体船的耐波性，采用T型水翼作为减摇附体来提高船体的附加质量和阻尼。然而，使用T型水翼进行减摇可能造成双体船的航行阻力增大。本文提出了采用尾压浪板改变船体纵倾、以对带T型水翼的双体船进行减阻的方案，并基于数值仿真和模型试验等手段，对比研究了不同航速下加装与不加装T型水翼及压浪板的双体船的航行阻力和耐波性。研究结果表明，在Fn=0.5～0.8的高航速段内，与双体船裸船体相比，加装了T型水翼和压浪板的双体船在静水中的航行阻力略有减小，而在波浪中的升沉运动响应平均减小了11.2%，纵摇运动平均减小了21.3%。采用T型水翼和压浪板作为组合附体，可实现双体船的阻力和耐波性等水动力性能优化的目的。

双体船；T型水翼；压浪板；组合附体；减摇；减阻

双体船较之常规的单体船，具有高航速、稳性好、吃水浅、甲板面积大和机动性能高等高水平的综合航海性能，被广泛的应用于高速车客渡船、军用高性能作战艇和隐身舰。但是，在中等或恶劣海况下、特别是在斜浪中，由于双体船的长宽比较小，纵横摇周期接近，船体极易出现纵横摇耦合的扭摇现象，造成船员晕船等不良后果[1]。为了减少双体船的纵摇或扭摇现象，有的研究者在船艏加装SSB附体(半潜艏)[2]以提高船体的耐波性。不过由于SSB附体显著改变了船艏线型，在某些船型如穿浪双体船上安装可能会导致穿浪效果变差。更为常见的减摇方式是在船艏底部加装T型水翼来提高双体船的附加质量和阻尼，进而减小船体的运动响应[3-4]。然而,尽管T型水翼具有显著的减摇效果，但它的存在又造成了双体船航行阻力增加的后果[5]。

另一方面，相关研究表明[6]，截流板和压浪板对中高速双体船有一定减阻的效果,一般可减阻6%以上。因此，为了抵消T型水翼带来的增阻影响，近年来也有研究工作[5]考虑在带T型水翼的双体船尾部加装鳍、截流板或压浪板等附体形式。研究结果显示[5]，T型水翼+鳍的减摇效果明显但减阻效果相对较差，T型水翼+截流板的减阻效果明显但减摇效果却相对较差，唯有T型水翼+压浪板的组合附体形式兼有较好的减阻和减摇效果。但文献[5]所涉及的附体工况较少，压浪板下压角固定在5°，研究得出的结论是，仅在傅汝德数Fn>0.8之后，加装T型水翼+压浪板的双体船阻力才比裸船体低。当然，关于(T型)水翼和压浪板的研究工作在其他一些文献里也有涉及，如卢晓平等[7]研究了消波水翼及压浪板度高速船航态和阻力的影响，Esteban[8]和王五桂[9]使用T型水翼和压浪板对高速船的耐波性运动进行控制等。不过，这些工作或侧重于对带水翼和压浪板附体的船舶阻力的研究，或侧重于对耐波性运动及其控制的研究，而对这两方面水动力性能进行综合优化研究的工作尚不多见。

本论文所研究的双体船感兴趣的航速范围在0.5

1 CFD数值仿真模型

本文CFD数值仿真的主要目的是对T型水翼及压浪板的减摇、减阻效果进行判断，以初步确定具有减摇和减阻效果的附体设计参数，便于后期开展水池模型试验验证及附体参数的进一步筛选。

由于基于势流理论的双体船兴波阻力预报方法如Michell积分[10]、Noblesse细长体理论[11]及其改进方法[12-13]只能预报裸船体的兴波阻力。而对带T型水翼、压浪板等附体的复合船型，由于附体附近的流动复杂、粘性效应不可忽略，使用势流理论方法较难得出精确结果。为此，本文拟采用CFD技术预报双体船裸船体及加装组合附体后的航行阻力。考虑到附体选型涉及到较多的计算工况，为了提高计算效率，采用动网格技术[14-15]在CFD仿真计算中直接更新附体的尺寸参数。

同理，二维半、三维格林函数等势流理论也只适用于预报双体船裸船体的耐波性，而压浪板附近的流场较为复杂，其附加质量、阻尼等水动力系数较难估算，因而采用势流理论预报带T型水翼+压浪板组合附体的双体船运动也有一定的困难。因而本文选用CFD方法中的重叠网格技术[16]预报双体船裸船体及加装组合附体后的纵向运动。

1.1 CFD数值水池设置

数值水池设置中，边界条件形式采用速度入口和压力出口的方式，如图1所示，以浪向角为180°为例，速度入口位于距船首1.5倍船长，压力出口距船艉部3倍船长，船体为刚性壁面，底部距船基线1.5倍船长，左右侧壁距船侧各1.5倍船长，消波区为1倍船长。

图1 计算流域边界划分Fig.1 Division on the computational region

数值仿真软件为Star CCM+，数值模型基于雷诺平均NS方程(RANS方程)，湍流模型选用SSTk-ω模型，数值离散方法是有限体积法。通过数值模拟发现，船体表面边界第一层网格的无量纲厚度y+值取100即可取得较理想的计算结果[17]。

1.2 阻力仿真网格模型

为了节省仿真时间，在数值模拟中通过变形网格更新压浪板的下压角度，基本工作思路如下：从初始下压角为5°的压浪板开始进行计算，当流场趋于稳定得到收敛的阻力之后，调用变形函数，通过控制压浪板边界上控制点及域内其他网格节点的运动速度及运动时间使压浪板的下压角变为10°(如图2所示)，当变形工作完成以后，进行下一阶段的数值模拟，可以得到另一个稳定的流场并获得收敛的阻力。重复此过程，即可得到船体带不同下压角度的压浪板的阻力。上述过程在一次仿真计算中自动完成，而无需手工反复修改模型、划分网格。阻力仿真所用的网格总数是120万个。关于变形网格方法更多的处理细节可参考文献[11-12]。

图2 压浪板的网格划分示意图Fig.2 The mesh grids around the flap

1.3 耐波性仿真网格模型

为了模拟双体船在流体域中的运动，采用重叠网格技术进行流场网格划分。即将覆盖整个计算域的母网格和包含双体船的子网格叠加来描述双体船相对域的运动，如图3所示。子母网格中的流场信息通过插值函数在重叠区边界进行匹配和耦合。这种网格技术对能够保证双体船运动过程中，计算域内网格的空间拓扑结构不变，且网格质量好，计算精度高，耐波性仿真所用的网格总数是150万个。

图3 定义重叠网格后的双体船网格Fig.3 Overlapped mesh for the catamaran

2 船模试验

2.1 船模试验工况

船模试验包括：

1)裸船体的阻力和耐波性试验。阻力试验中船模航速在Fn在0.17～0.80内选取13个值；耐波性试验中船模航速取Fn为0.5, 0.6, 0.7, 0.8等4个值，波长船长比在0.4～2.7之间选取9个值。

2)只带压浪板的船模阻力试验。船模航速取Fn为0.69, 0.72, 0.77, 0.80等4个；压浪板下压角度取5°、10°和15°等3个。这一步试验之所以不带T型水翼，是为了排除T型水翼的增阻干扰，更好地验证压浪板的减阻效果。

3)带T型水翼和压浪板的船模阻力和耐波性试验。压浪板的下压角固定取10°，阻力与耐波性的水池试验工况与裸船体相同。

具体试验思路是：先通过试验确定双体船裸船体的阻力和耐波性能；再通过带不同下压角压浪板的船模阻力试验确定压浪板最佳的下压角度；最后把已确定参数的T型水翼加入带最佳下压角压浪板的双体船中(T型水翼的升力(矩)对船体姿态的影响有限，其造成船模的纵倾角的改变相对于压浪板的5°、10°和15°三个下压角来说是小量，所以本文忽略了T型水翼对压浪板最佳下压角度的影响)，开展带组合附体的双体船阻力和耐波性试验。

2.2 船体及附体模型参数

船模的主尺度参数分别如表1所示。

表1 双体船模主要参数

压浪板共有5°、10°和15°等3个下压角，表2所示的是10°下压角的压浪板参数。

T型水翼作为已确定的附体，不参与参数优选。T型水翼的主要作用是在双体船运动中提供附加质量和升力阻尼。T型水翼的主要参数如表3,图4是T型水翼的模型及在船模上的安装图。

表2 压浪板尺寸参数

表3 T型水翼尺寸参数

图4 T型水翼模型Fig.4 T-foil model

需要指出的是，由于本文的研究对象是双体船，所以每个船体下各有一套T型水翼和压浪板。

3 数值和船模试验结果分析

3.1 阻力结果分析

图5所示的是加装不同下压角压浪板的双体船(标作“Flapθ=5°,10°,15°”)与裸船体(标作“Bare”)的无量纲阻力(篇幅所限，这里仅给出试验结果)对比。无量纲阻力的计算公式为

(1)

式中：R是船体阻力，ρ是水的密度，S是裸船体湿表面，V是航行速度。

从图5可看出，在高航速下，三种不同下压角的压浪板均可使双体船阻力降低，其中下压角θ=10°的压浪板减阻最多(平均减阻6.1%)。因而从本试验研究中可优选出θ=10°的压浪板与T型水翼组成组合附体用于下一步的双体船减阻和减摇研究。

图5 加装不同下压角压浪板的双体船阻力(θ=5°, 10°, 15°)Fig.5 Resistance of the catamaran without flaps / withflaps ofdifferent attack angles (θ=5°, 10°, 15°)

图6所示的是双体船裸船体(标作“Bare：EFD”和“Bare：CFD”)和加装了T型水翼(参数见表3)及压浪板(参数见表2)的复合船体(标作“T-foil+flap：EFD”和“T-foil+flap：CFD”)在静水中的无量纲阻力对比。其中“EFD”表示数据来自模型试验，“CFD”表示数据来自CFD数值仿真。数值仿真结果与模型试验结果吻合得较好。数值仿真和模型试验结果均表明，在中低航速段(Fn<0.5),加装了组合附体的双体船阻力大于裸船体阻力；而在高航速段(0.5

图6 加装组合附体前后双体船的阻力(θ=10°)Fig.6 Resistance of the catamaran with/without T-foils and flaps (θ=10°)

可见，所设计的T型水翼和压浪板方案满足目标双体船在高航速段的阻力优化目的。

3.2 耐波性结果分析

图7～10展示的是在航速0.5

图7 加装组合附体前后双体船的运动对比(Fn=0.5)Fig.7 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.5)

图8 加装组合附体前后双体船的运动对比(Fn=0.6)Fig.8 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.6)

图9 加装组合附体前后双体船的运动对比(Fn=0.7)Fig.9 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.7)

图10 加装组合附体前后双体船的运动对比(Fn=0.8)Fig.10 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.8)

从图中可以看出，在双体船的高航速范围内，加装了组合附体后其运动响应得到明显的改善，尤其是在波长船长比大于2的长波中。根据试验结果统计显示，在0.5

另外，从图中的结果可以看出，与试验结果相比，CFD数值仿真结果在部分长波中有一定的偏差，但仿真结果基本反映了加装组合附体后船体运动减小的趋势。

4 结束语

本文研究了由T型水翼与压浪板构成的组合附体对双体船的阻力与耐波性的影响。研究结果表明，在高航速条件下(0.5

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Influence of built-up appendage on hydrodynamics of catamarans

SHAO Fei1,GUO Zhiqun1,HAN Duanfeng1, ZHENG Xiaoguang2

(1. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Dalian Shipbuilding Industry Co.,Ltd., Dalian 116001, China)

Catamarans feature low resistance, fast speed, good maneuverability, and a large deck area. However, due to their small length to breadth ratio, catamarans can twist in oblique waves. To improve the seakeeping performance of fast catamarans, T-foils have been used as stabilizing appendages to provide added mass and damping. However, one of the disadvantages of using T-foils is the increase in total resistance. In this work, our objective was to reduce the resistance of a T-foil-assisted catamaran by fitting flaps beneath both sterns to alter the hull trim. For this purpose, we conducted both numerical simulations and model experiments in a range of advancing speeds to investigate the resistance and seakeeping performance of catamarans with/without flaps and T-foils. Our results indicate that at high-speed navigation with Froude numbers from 0.5～0.8 in calm water, the resistance of the flaps-and-T-foils-assisted catamaran was slightly lower, and the heave and pitch response amplitude operator (RAO) values in waves were 11.2% and 21.3%, respectively, which are lower than those of unassisted catamarans. We also verified the validity of our catamaran hydrodynamic optimization method that employs a built-up appendage comprising flaps and T-foils.

catamaran; T-foil; flap; built-up appendage; motion control; drag reduction

2016-03-28.

时间：2016-12-12.

国家自然科学基金项目(51509053).

邵菲(1987-), 女, 博士研究生； 郭志群(1983-), 男, 讲师, 硕士; 韩端锋(1966-)，男，教授，博士生导师.

郭志群, E-mail:guozhiqun@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201603094

U674.951

A

1006-7043(2017)01-0053-06

邵菲, 郭志群, 韩端锋，等. 组合附体对双体船水动力性能的影响分析[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2017, 38(1): 53-58. SHAO Fei ,GUO Zhiqun ,HAN Duanfeng,et al. Influence of built-up appendage on hydrodynamics of catamarans[J]. Journal of Harbin Engineering University,2017, 38(1): 53-58.

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