基于CFD的无压载水船型浅水中岸壁效应数值模拟

洪碧光，王鹏晖，张秀凤，于洋

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

基于CFD的无压载水船型浅水中岸壁效应数值模拟

洪碧光，王鹏晖，张秀凤，于洋

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

基于贯通流系统设计无压载水船型，在保证无压载水化的基础上，分析其操纵性相关的水动力特性，以系列60船型改造后的新船型作为研究对象，基于CFD方法，选用混合网格和SSTk-ω湍流模型对船舶浅水航行的岸壁效应问题进行数值模拟，利用粘性流对叠模求解。为验证网格划分和数值方法的合理性，对系列60船型进行数值模拟，将计算结果与他人计算结果进行比较，基本吻合。对新船型进行数值模拟，计算出其在浅水中不同岸壁距离以及不同航速下的阻力、横向力和转艏力矩，与系列60船型的计算结果进行比较，分析结果表明，新船型弱化了浅水中的岸壁效应，优化了水动力性能。

无压载水船；贯通流系统；岸壁效应；数值模拟

为了有效控制船舶压载水带来的污染问题，国际海事组织(IMO)于2004年通过了《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》[1]。《公约》规定，截止2016年底，未安装合格的压载水处理设备的船舶将不得驶入国际海事组织成员国港口。在此背景下，科研人员引入了一种“无压载水船”的概念，在船界引发了一股新的研究热潮。目前，全球主流的无压载水船型仅3种，分别是：美国的贯通流系统[2](though flow system)、荷兰的单一结构船身[3](monomaran hull)以及日本的V型船身设计(V-shaped hull)。这些船型具有较高实用价值，但是依旧存在较多弊端。截止目前，针对无压载水船型操纵性相关的研究也甚少。总体而言，船舶无压载水化设计是一门系统工程，在保证船舶无压载水化的基础上，除了需要保证克服上述船型自身的种种弊端以外，还需要对操纵性相关的水动力特性进行分析。

随着船舶尺度日趋大型化，在受限水域中，由于岸壁和浅底的影响，使得船舶水动力和水动力矩的变化更加复杂，操纵也更加困难。本文就是在克服上述各种无压载水船型弊端的前提下，基于CFD方法，将系列60船型改造后的新船型[4]作为研究对象，建立三维数值模拟区域，采用混合网格和SSTk-ω湍流模型，并结合粘性流和叠模法[5]，对新船型浅水航行的岸壁效应问题进行数值模拟。通过模拟出不同工况的流场，从而计算出不同工况下新船型的阻力、横向力和转艏力矩数据，并将其与系列60船型计算结果进行比较。最终，分析出新船型在浅水岸壁效应影响下的水动力特性是否得到了优化。

1 无压载水船新思路

美国贯通流系统，将船舶的封闭式改为前后开放式，在艏艉水线下分别设进、排水口，海水从船艏进口涌入，船艉排水口排出，见图1。

该设计既可起到压载舱的作用，又可减轻船舶负荷。贯通流系统的管路内流通的始终是当地海域海水，符合IMO中海洋环境保护的宗旨。设计思路集合了贯通流系统的优点，对管路结构与走向进行了改造。该设计方案[6]的内容主要包括以下几部分。

1)将上部两条纵向管路设计为微弧形，下部纵向管路和3条横向管路设计为直线形，所有管路均处于压载水线以下位置，见图2。

2)3条纵向管路的前后管口处安装有6个传感器控制阀门，用于控制海水流进与排出；3条横向管路与底部纵向管路间的连接部位安装3个压力传感器，用于实现压载量的定量化，见图3。

3)3条纵向管路均设有内外双层管壁，既增强了管路强度，又让管路处于可收缩状态，以调整管路内海水流通量，实现不同装载状态间压载量的切换。针对管路的收缩，采用双层管壁间的空气填充压缩技术实现内管径的切换，见图4。

4)纵向管路均分为前后两大部分，用以实现对船舶浮态的调整。对于横倾状态的调整，通过控制左右2条纵向管路进行不同程度的开放，实现2条管路间海水流通量差即可。对于纵倾状态的调整，通过控制纵向管路前后两部分不同程度的开放，让前后部分出现不同海水流通量，实现管路进出口处的压力差即可。

2 数值算法

将限制水域下流场中的船舶采用量钢一的纲化的方式进行计算，结合工程应用，针对不可压缩的N-S方程，采用雷诺平均方法[7](RANS)进行数值模拟，流场中连续方程和动量方程[8]分别为

(1)

(2)

同时，湍流模型的选取为RANS方法中的关键点，能否正确选用对于计算精度的影响很大。结合相关实践经验，本文数值模拟采用有限体积法对微分方程进行非线性化离散，利用SIMPLEC算法[9]进行迭代求解。动量方程中对流项和扩散项的离散均采用二阶迎风差分算法,瞬态项采用二阶隐式差分算法。为了保证在近壁区域和远场区域都有很高的预测精度，湍流方程选用了k-ω方法下的SST格式[10]对ω输运方程中的交叉扩散项和混合函数进行修正。

3 新船型数值模拟

3.1 计算模型

选用系列60船型(方形系数Cb=0.6)作为母船型，见图5，其主尺度参数见表1。新船型在其基础上，仅对管路部分进行改造：上侧两条纵向管路半径取2.0 m，下侧纵向管路和3条横向管路半径取1.5 m。

类型型长L/m型宽B/m型深D/m吃水d/m缩尺比船模4.6890.61540.36920.246126实船122169.66.4

3.2 计算域设置

选用长方体计算域，船艉垂线与设计水线面的交点设置为坐标原点，船艏方向为X轴正方向，左舷方向为Y轴正方向，水线面上方为Z轴正方向。计算域总长为6倍船长，其左侧设置为岸壁，不同工况下船舶中心线距岸壁的距离分别为η=1B,2B,3B,5B,船舶中心线距右侧岸壁的距离为1倍船长，水深设定为1.5d。为保证计算域中进、出口处流动始终处于定常状态，将船艏前1.5L处设置为入口，将船艉后3.5L处设置为出口。

计算域中边界条件：入口设置为velocity-inlet；出口设置为outflow；自由液面设置为symmetry；其余各面均设置为wall。同时，将计算域划分为内、外2部分：船舶艏艉水平线与中心线2侧各1B范围内的小长方体流域划分为内域，其余部分划分为外域，见图6。

3.3 网格划分

网格划分是CFD方法的关键点，网格数量影响计算速度，网格质量影响计算精度。为保证计算精度和效率，在网格的划分上，采用混合网格的方式。将船体周围结构复杂的内域，采用带有边界层的非结构网格进行划分。经过对网格参数的多次调整，最终为船体和管路表面设有10层边界层网格，第一层网格高度设为0.001 m,增长率设为1.2；将结构简单的外域，采用结构化网格进行划分。船体周围非结构网格加密区见图7，计算域整体网格划分见图8。

在水深为1.5倍吃水的浅水域中，针对新船型进行数值模拟的航行工况如下。

1)船速V=0.5 m/s，以岸壁位于船体左侧为例，船舶中心线与岸壁的距离η=1B、2B、3B、5B4种工况。

2)当岸壁距离η=1B时，船速V=0.2 m/s,0.5 m/s,1 m/s,1.5 m/s(弗劳德数Fr=0.029，0.074，0.147，0.221)4种工况。

3.4 数值算法与网格划分方法的结果验证

为验证数值算法与网格划分方法的计算精度，将其应用于以往研究者探究过的工况下进行数值模拟。计算船舶在浅水(水深为1.5d)中以速度V=0.5 m/s航行，船舶中心线距岸壁距离分别为1B、2B、3B、5B，4种工况下所受到的阻力系数Cx，横向力系数Cy和转艏力矩系数Cm。最终，将他人的计算结果作为参考值[11]与数值计算结果进行比较，见图9。

由图9可见，本文采用的SSTk-ω湍流模型和SIMPLEC算法所得到的数值计算结果，包括阻力系数、横向力系数和转艏力矩系数，随岸壁距离的变化趋势与参考值基本一致。从误差中来看，计算结果存在一定偏差，但是考虑到船型差异和网格处理方法的不同，上述误差是属于可接受范围内的。

4 数值计算结果及分析

4.1 阻力数据

阻力数据是船舶快速性的重要参考指标。考虑到船舶近岸航行期间需要保持较低航速，兴波阻力较小，因此本文基于上述数值算法和网格划分方法，采用叠模法对不同岸壁距离下模型尺度的新母船型阻力数据进行数值模拟，得到的阻力数据见表2～4。

表2 不同岸壁距离下新母船型阻力系数比较(Fr=0.074)

注：母船型湿表面积S=2.544 m2；新船型湿表面积S=3.589 m2。

表3 不同岸壁距离下新母船型阻力(Fr=0.074)

表4 不同岸壁距离下新船型阻力分类(Fr=0.074)

通过新船型阻力值与阻力系数的比较，可以看出，在浅水岸壁效应的影响下，新船型的总阻力值较母船型有稍微的增加，增加的平均比例占母船总阻力值的3.77%。但是新船型的湿表面积较母船型有大幅的增加，导致新船型阻力系数较母船型降低平均比例达28.16%。

4.2 横向力与转艏力矩数据

横向力和转艏力矩数据是对船舶横移量的重要参考指标，是对岸壁效应影响程度的直观体现。本文在8个不同工况下进行的数值模拟试验，所得到的横向力和转艏力矩数据见表5～12。

表5 不同岸壁距离下新母船型横向力系数比较(Fr=0.074)

由表5和表6可见，在不同岸壁距离下，新船型所受横向力和横向力系数较母船型降低的平均

表6 不同岸壁距离下新母船型横向力比较(Fr=0.074)

比例分别为30.39%和29.98%。同时，随着岸壁距离的增大，新船型所受横向力较母船型的降低比例也大幅增加，在浅水中岸壁效应较母船型弱化得也更加明显。这表明新船型在浅水岸壁效应下的“安全距离”会大大小于母船型。

表7 不同航速下新母船型横向力系数比较(η=1B)

表8 不同航速下新母船型横向力比较(η=1B)

从表7和表8中也可看出，新船型弱化了母船型在浅水中的岸壁效应。在距离岸壁1B的4个不同航速下，新船型所受横向力和横向力系数与母船型相比，降低的平均比例分别为9.79%和6.92%。

表9 不同岸壁距离下新船型转艏力矩(Fr=0.074)

表10 不同岸壁距离下新母船型转艏力矩比较(Fr=0.074)

由表9和表11可见，在不同岸壁距离和不同航速的8种工况下，新船型的船体转艏力矩较母船型都有一定程度的降低，降低的平均比例为15.70%。从图10中可看出，新船型的总转艏力矩系数较母船型也存在一定程度的降低。但是从表10和表12中可看出，由于船体内部管路的配置，使得新船型的总转艏力矩与母船型基本持平。

表11 不同航速下新船型转艏力矩(η=1B)

表12 不同航速下新母船型转艏力矩比较(η=1B)

4.3 结果分析

自由液面的速度和压力分布图可以清晰地反映出航行状态下船舶周围流场的分布情况。同时，船体表面压力分布图则是周围流场对船舶航行状态影响程度的直观体现，见图11～图14。

从图11中可看出，在船艉前，新母船型周围水面速度分布情况基本一致，但是在船艉后，新船型周围流态分布比母船型恢复得则更快。

由图12可见，在距离岸壁1B时，新船型船底两侧的压力差明显小于母船型。从图13和图14中又可以看出，在距离岸壁1B时，新船型靠近岸壁一舷(左舷)的压力分布明显小于母船型，而另一舷(右舷)的压力分布与母船型基本一致。这些现象都充分表明，新船型在浅水中受到岸壁效应的影响比母船型更弱。

5 结论

1)新船型在距离岸壁2倍船宽以内的区域，都属于岸壁效应下的航行“危险区”，但是随着距岸壁距离的增加，新船型所受横向力较母船型降低的幅度也大大增加，这表明新船型在浅水岸壁效应下的“安全距离”会明显小于母船型。

2)在距离岸壁2倍船宽的前提下，随着航速的提高，新船型所受横向力的变化趋势基本一致，新船型所受横向力较母船型降低幅度也基本不变。这表明在任何航速下，新船型所受浅水岸壁效应的影响较母船型都会有所减弱。同时，在近岸航行期间，新船型的“安全航速”较母船型也会有所提高。

3)近岸航行期间，船舶以较低航速航行，兴波阻力较小。因此，本文在忽略兴波阻力的前提下，选用叠模法进行数值模拟，既保证了计算精度，又提高了计算效率。

4)采用的SSTk-ω湍流模型，既对新船型船体和管路的近壁面区域进行了较高精度的计算，也对船体周围流场细节进行了更高精度的捕捉。

5)本思路的研究并未放开6自由度进行数值模拟，分析新船型在粘性流场中6自由度的运动将作为下一步研究重点。

[1] IMO. International Convention For the Control and Management of Ships’ Ballast Water and Sediments[S]. LONDON: IMO,2004.

[2] 赵桥生.无压载水舱船舶的研究进展[J].舰船科学技术,2009,31(7):17-19.

[3] 徐峰,王敏,刘家新.灵便型无压载水舱散货船船型开发与研究[J].船海工程，2012(1)：22-24.

[4] 王鹏晖,洪碧光,于洋,等.一种无压载水船船型参数探讨[J].船海工程，2016，45(8)：40-44.

[5] HESS J L, SMITH A M O. Calculation of non-lifting potential flow about arbitrary three-dimensional bodies[J]. Journal of ship research，1964(8)：22-44.

[6] 洪碧光,王鹏晖,于洋,等.基于CFD的一种无压载水船阻力数值模拟[J].船舶工程，2016，38(7)：15-20.

[7] SANCHEZ-CAJA A, RAUTAHEIMO P, SIIKONEN T. Simulation of incompressible viscous flow around a ducted propeller using a RANS equation solver[C]. Proceedings of the 23rd Symposium on Naval Hydrodynamics.2000.

[8] 王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[9] SHEN W Z, MICHELSEN J A, S?RENSEN N N, et al. An improved SIMPLEC method on collocated grids for steady and unsteady flow computations[J]. Numerical heat transfer: part b: fundamentals,2003,43(3):221-239.

[10] MENTER F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications[J].AIAA journal,1994,32(8):1598-1605.

[11] 王化明.限制水域操纵运动船舶粘性流场及水动力数值研究[D].上海:上海交通大学,2009.

Numerical Simulation of Wall Effect for Ballast-free Ship in Shallow Water Based on CFD

HONG Bi-guang, WANG Peng-hui, ZHANG Xiu-feng, YU Yang

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

A ballast-free ship type was designed based on though flow system. On the basis of ballast-free, its hydrodynamic behavior about maneuverability was studied. The new ship transformed by series 60 ship was taken as an example, the CFD numerical simulation of wall effect in shallow water was carried out by using hybrid grid and SST turbulence model. To test the validity of the grid generation and numerical analysis method, the simulation of series 60 was carried out, and the result was in good agreement with other numerical results. The numerical simulation of new ship was carried out, and the resistance, lateral force and yaw torque data of series 60 and new ship in different distance to bank and different velocity were compared and analyzed. The result showed that new ship reduces the wall effect in shallow water and optimizes hydrodynamic performance.

ballast-free ship; though flow system; wall effect; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.002

2016-09-07

国家自然科学基金(51379026)；河北省海事局科研项目(2015Z0541)

洪碧光(1955—)，男，硕士，教授

U661.33

A

1671-7953(2017)02-0006-06

修回日期：2016-10-14

研究方向:船舶操纵性