U型救生装置阻力性能研究

李双月，刘卓俊，张瑞瑞，包国治，李永正 ，张 剑，陈逸飞

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003;3.华润燃气(上海)有限公司，上海 200040)

0 引言

航运船舶在实施救援时，常用的传统救生圈受风浪流影响较大，因不具备自航能力常常无法及时到达落水者身边，导致救援时间延误；而常用的救生艇又易受水域水深影响，无法到浅狭水域实施救援。国内学者[1-3]针对弹射式救生装置开展系列研究，开发了一系列效率高的救援装置，但其精准度相对较低。本文利用船舶设计思想，基于传统救生圈理念，开发一种可操纵控制巡航至溺水者身边的U型救生装置。采用数值模拟方法，对该U型救生装置在各种工况下的水动力性能进行研究，分析其载荷及周围流场的压力分布，为后期的外形和结构优化提供一定的数据支撑。

1 数值方法

在湍流的非直接数值模拟中，应用最广泛的是雷诺平均N-S方程[4]。在一般笛卡儿坐标系下，忽略脉动的影响，用张量的指标形式表示的雷诺平均N-S方程如下：

(1)

(2)

在RNGk-ε模型中，通过在大尺度运动和修正后的黏度项中体现小尺度的影响，而使小尺度运动有系统地从控制方程中去除。所得到的k方程和ε方程如下：

(3)

(4)

RNGk-ε[4]可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，但在雷诺数较小的近壁区域，必须要采用特殊的方法进行处理。本文采用标准壁面函数法。

本文的流体域中包含水和空气两种流体，采用流体体积函数法(VOF)捕捉两种液体界面。VOF 方法将流体体积函数F设定在单元中心，流体速度也选取网格单元中心点。根据相邻网格的流体体积函数F和网格单元四边上的流体速度来计算流过制定单元网格的流体体积，借此来获得指定单元内下一时刻的流体体积函数F，进而确定自由面的位置和形状。F满足：

(5)

式中：u、v、w分别为单元中点处的流体速度分量；t为时间。

2 计算模型

本文的研究对象为新开发的U型救生装置。该装置由前体和两个侧后体组成，三个片体均为船形，三个片体之间由连接桥连接。具体形状见图1。装置参数分别为：装置长1.1 m，宽0.8 m，两侧体间距0.65 m。

图1 U型救生装置图

数值模拟过程采用长方体流体域。流体域长度取15倍船长，宽度取8倍船长，高度取8倍船长；救生装置位于距流体入口5倍船长，距侧边界及下方边界各4倍船长处。流体域见图2。流体域网格划分见图3。

L—船长。

图3 装置模型及周围流域网格划分

利用Fluent软件进行数值模拟，使用三维非定常隐式求解器，选择k-ε湍流模型和两层流模型进行模拟。整个计算域边界在吃水线位置分为两个入口边界，吃水线以上为空气入口，以下为水入口；出口定义为压力出口。为节约计算时间，采用半模型，设置装置对称面为Symmetry边界。

3 数值模拟结果及分析

考虑装置在实际使用过程中不同配重，计算工况分为空载、搭载儿童、搭载成人和极限载重4种工况。针对每个工况选取3个不同的航速，进行阻力性能的对比研究。

3.1 阻力分析

各计算工况的阻力值见表1，各计算工况救生装置阻力及阻力系数随航速变化曲线见图4。

表1 救生装置阻力及阻力系数变化表

图4 各计算工况救生装置阻力及阻力系数随航速变化图

从表 1和图 4可以看出， 随着航速的增大，各载重工况下装置阻力均增大，且搭载儿童和搭载成人工况的阻力增加速度更明显；对比某一航速下不同载重工况救生装置的阻力值，发现搭载儿童和搭载成人时的阻力值较其他两个工况要大。从阻力系数变化图可以看出，各载重工况下，装置的阻力系数随着航速增加而减小后趋于平缓，极限载重工况阻力系数值最小且减小变缓的趋势更加明显。以上分析说明，救生装置正常作业工况(搭载儿童和搭载成人)的阻力值较大且随航速变化明显。

3.2 救生装置周围的流场情况

通过分析阻力和阻力系数发现，搭载儿童和搭载成人工况的阻力值较大，因此后续流场分析等以搭载儿童和搭载成人工况为主开展研究。救生装置表面压力分布图见图5。

图5 救生装置表面压力分布图

由图 5可以看出，装置前体首部出现高压区。随着航速增加，高压区范围增大，高压区内的压力也逐渐增大，这是由于前体对流体的阻碍作用引起的。流体绕流经过前体首部后，在前体中尾部出现低压区，随着航速增加，低压区范围逐渐增大和后移。对于后侧体，同样因为侧体对流体的阻碍作用，在侧体的首部出现高压区，且随着航速的增加，高压区的范围逐渐扩大，高压区内的压力也逐渐增大；流体绕流过侧体首部后，在首部和平行中体段连接处，流线迅速扩张产生舭涡出现低压区，并且随着航速的增加，该低压区会进一步扩大。流体流经装置过程中，装置各部分型线变化不同使得对流体的阻碍作用程度不同，进而引起装置周围流场压力变化的不同，造成装置受到的阻力有所不同。

3.3 片体连接桥的压力分布

图6给出了前体与侧体连接桥的压力分布情况。连接桥最大压力约为装置主体最大压力的1/3，连接桥高压区主要分布在前体与连接桥连接处、侧体与连接桥连接处以及连接桥迎流边界处，而连接桥低压区则主要分布于前体中后体与连接桥连接处和连接桥去流处。对比图6(a)～(h)发现，随着航速增加，连接桥上压力变化更加明显，高低压区也更加集中，这对连接桥的强度十分不利。

图6 片体连接桥压力分布情况

3.4 装置周围自由液面分布

图7给出了搭载儿童和搭载成人工况各航速下自由液面爬升情况。从图中可以看出，由于前体的影响，流体流经前体后在侧体上均有一定的爬升，且随着航速的增加，爬升的高度有所增加，且在爬升的过程中伴随有波浪破碎现象。

图 7 自由液面爬升情况

4 结论

本文利用Fluent软件，针对新开发的U型三体叉式布局救生装置在空载、搭载儿童、搭载成人和极限载重工况，不同航速下的阻力性能和流场分布情况进行分析，得出以下结论： (1)随着救生装置搭载重量逐渐增大，装置产生的阻力呈现先增大后减小的趋势，得出搭载儿童和搭载成人时的阻力及阻力系数较大。

(2)通过对搭载儿童和搭载成人工况下救生装置周围流场压力分布、连接桥压力分布以及自由液面爬升情况的分析，得出前体、侧体首部、连接桥迎流边界及其前后体与连接桥连接部位均会出现高压区，前体中后段及其与连接桥连接部位、连接桥的去流边界和侧体首部与平行中体过渡段均会出现低压区，高低压差是造成装置阻力的主要因素。

通过本文的研究，对U型救生装置的水动力有了基本的理解，为后期的装置结构设计以及装置改进提供了一定的支撑。