GONDOLA型多波束附体对船舶阻力性能的影响

2018-10-17肖士杰司冠南陈建涛李仁常

中国修船 2018年5期

肖士杰，司冠南，陈建涛，李仁常

(1.山东交通学院，山东济南 250357；2.山东省海洋仪器仪表科技中心，山东青岛 266100；3.青岛中乌特种船舶研究设计院有限公司，山东青岛 266000)

多波束测深系统又称为条带测深系统，它是利用声波在水下的传播特性来测量水深，安装在船底或附体上的发射换能器阵向海底发射超宽声波束，接收换能器阵接收海底反向散射声信号，经过模拟/数字信号处理形成多个波束，获得多个水深数据。多波束测深系统是当今海洋基础勘探中的一项高新技术产品，是计算机科学技术、导航定位技术、水声技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成，是一种全新的高精度全覆盖式测深系统[1-2]。

目前，多数国内外新建综合海洋科学考察船都已经装备了多波束测深系统。它一般布置在船舶中前1/3处或者更为靠前的位置，常用的安装型式有嵌入型、导流罩型和GONDOLA型等。GONDOLA型多波束安装型式是指船底伸出挂壁与附体连接，多波束换能器安装在附体底部。该种安装型式挂壁高度约为600 mm，换能器距离船底高度约为1 200 mm。船舶在航行中船首产生的气泡层通过船底与导流罩附体之间的间隙流向船尾，因此对安装在导流罩附体里的声学换能器影响较小，测量效果好[3]。

多波束的安装对船舶阻力影响较大，GONDOLA型多波束附体使得船舶阻力增加约20%～40%。进行带GONDOLA型多波束附体船舶阻力性能的研究，是做好该类船舶快速性设计的前提。

1 船舶阻力研究方法类别

船舶总阻力Rt主要包括兴波阻力Rw、黏性阻力Rv、附体阻力Rap及波浪中航行时的阻力增值Raw，即[4]

Rt=Rw+Rv+Rap+Raw

船舶阻力研究方法有理论计算分析法、数值模拟法和模型试验法等。理论计算分析方法有线性理论、面元法理论及经验公式估算等；常用的数值模拟方法有有限差分法、有限体积法、有限元法、有限分析法等；模型试验法对于船舶阻力的确定仍然起着决定性的作用，常用来验证其他阻力研究手段的可靠性。

船舶阻力数值方法在船型优选、优化中起着重要作用。随着计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术发展及计算人员经验积累，其计算精度逐渐满足工程需要，越来越多地应用在船舶阻力的确定方面。

2 带有GONDOLA型多波束附体船舶阻力数值模拟计算

船舶阻力数值模拟是通过计算流体动力学软件来实现的。CFD软件是专门进行流场计算、分析和预报的软件。通过CFD软件数值模拟，可以计算、分析并显示发生在流场中的各种现象，得到比模型试验更多的流场信息。在比较短的时间内，CFD软件可以进行水动力性能的预报，在多目标船型优选、单目标船型优化及水动力性能预报方面有广泛的应用[5-9]。

本文的计算原型为综合科学考察船。采用缩尺比1∶13，进行建立几何模型、构建计算域、划分网格、定义边界条件、设定求解等模拟计算操作。

2.1 建立几何模型

为了研究GONDOLA型多波束附体产生的阻力，分别建立光体船舶模型及带有多波束附体的船舶模型。同时，船舶光体、附体及其流场关于船舶中纵剖面对称，仅需建立半体模型即可实现对整个流场的模拟计算。

2.2 构建计算域

船舶在海上航行时，不受浅水效应及壁面效应的影响，可以认为其处于无界的流场中。所以，进行数值模拟计算时，应该将模型置于无限大的计算域中，以保证数值模拟与实际情况的一致性。但是，数值模拟中设置无限大的计算域实际上是做不到的，我们只有根据数值模拟计算的特征、船舶模型尺度及计算精度要求建立适当大小的计算域。同时，计算域的外形对网格类型和网格质量有一定的影响，进而影响模拟计算的计算时间和计算精度。

本计算中，选用长方体计算域，分上、下两部分，上部分计算域的流体为空气，下部分计算域的流体为海水。

2.3 网格划分

数值模拟网格采用重叠网格方法，它将复杂的流动区域分成几何边界比较简单的子区域，各子区域中的计算网格独立生成，彼此存在着重叠、嵌套或覆盖关系，流场信息通过插值在重叠区域边界进行匹配和耦合。重叠网格既拥有结构网格逻辑关系简单、流场计算精度高、效率高、壁面黏性模拟能力强等优点，又弥补了结构网格对外形适应能力差的缺点[10]。

计算区域的网格单元总数约69万(半体计算域)，壁面30≤y+≤50。面网格、体网格分别见图1、图2及图3所示。