基于CFD的渔船船体阻力性能预估方法

2020-06-12于慧彬张琦李小峰刘铁生于东桂洪斌

山东科学 2020年3期

于慧彬，张琦，李小峰，刘铁生，于东，桂洪斌

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛 266000；2.哈尔滨工业大学(威海) 海洋工程学院，山东威海 264209)

渔船与其他类型的船舶相比，其主尺度及载重吨位较小，建造技术水平较低[1]。由于建造费用较同等吨位的其他船舶低许多，阻力预估试验成本较高，渔船在设计时通常没有多余的资金来支持船模阻力试验。而渔船的阻力情况又与其快速性以及续航力息息相关，且近年来，人们对于渔船设计建造的要求越来越高，对其阻力估算的准确性要求也日益提高。随着信息技术的发展，计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)仿真模拟技术逐步应用到渔船设计领域，可有效提高设计人员对渔船的研发能力[2-5]。研究人员在渔船阻力预估上开展了较多研究，李纳等[6]基于CFD技术分析了拖网渔船的阻力特性，李晓文等[7]运用商用CFD 软件计算了滑行艇阻力并数值模拟了滑行艇的直航运动。但是，目前运用CFD对渔船船体阻力性能进行预估的相关文献并不多见。

本文通过对一艘11.75 m的玻璃钢材质渔船采用CFD软件STAR-CCM+进行数值模拟，详细阐述了渔船的阻力预估方法，并分析了该船的阻力性能。

1 模型建立及计算域网格划分

以一艘总长为13.90 m的沿海渔船作为参考模型，其设计水线长为11.75 m，型宽为3.34 m，设计吃水为0.572 m，方形系数为0.539，排水量约为12.5 t，设计航速为15 kn。将该模型利用弗劳德数Fr相等的原则进行缩尺，缩尺比为4.72，最终缩尺后的船模设计水线长约为2.49 m，排水量约为115.8 kg。采用ANSYS ICEM软件对缩尺后的船体进行建模，并选取长方体计算域，其边界分别为：首部边界距船舯约1.5倍船长，尾部边界距船舯约3.5倍船长，两侧边界距船舶的中纵剖面各1倍船长，底部边界距水线面约1倍船长，顶部边界距水线面约0.3倍船长。该计算域既能够使得其边界距船体有足够大的距离以避免固体壁面对于计算域边界的干扰，还能使得船体尾部流场得到充分的发展，以更好地模拟船体周围的流场，同时还可以使得船体计算域足够简化，以避免网格过多影响计算效率[7]。船体建模后的数值模型及计算域模型分别见图1及图2。

图1 船体的数值模型Fig.1 The numerical model of the ship

图2 计算域模型Fig.2 The computational domain model

采用四面体八叉树结构对计算域进行网格划分，在网格划分时，对船体首部曲率较大处进行网格加密，以便更好地拟合船体首部的形状，同时对船体周围计算域垂向方向的网格进行了加密，以便在计算时更好地模拟并捕捉自由液面。最终将计算域离散为137.5万非结构化网格。船体及计算域的网格划分情况分别见图3及图4。

图3 船体网格划分Fig.3 Meshing of the hull

图4 计算域网格划分Fig.4 Meshing of the computational domain

2 实船阻力的计算方法与结果分析

2.1 船模阻力数值模拟

采用CFD软件STAR-CCM+对船模阻力进行数值模拟，湍流模型选用SSTk-ω模型，采取计算域随船模一起运动的方式。计算域的边界条件设定为：船首方向边界及上下左右四周边界采用“速度入口”条件，船尾方向边界采用“压力出口”条件，船体模型边界采用“壁面”条件。自由液面采用VOF(volume of fluid)两相流方法进行捕捉，对流项采用一阶迎风格式差分，计算时间步长为0.01 s。

综合考虑该船的船体较小、航速较高等因素，对船模在实船航速Vs为3，5，7，10，12，15，16，17，20 kn时进行数值模拟，模拟时，船模的航速依据弗劳德数(Fr)相等的原则进行换算得出。船模的航速值Vm分别为0.717，1.195，1.673，2.390，2.868，3.585，3.824，4.063，4.780 m/s。通过数值模拟得到的船模阻力值见表1。

表1 船模阻力值Table 1 Resistance of the model

注：Rm为船模阻力。

2.2 实船阻力换算方法研究

船模航速在确定时是根据弗劳德数相等的原则换算得出的，该原则主要考虑了缩尺比对于兴波阻力的影响，而忽略了其对于粘性阻力的影响[8]，船舶粘性阻力中最主要的构成部分是摩擦阻力(约占85%～90%)[9]，因此在对实船阻力进行换算时应分别对摩擦阻力与剩余阻力进行计算。根据船模阻力换算实船阻力的方法流程如下。

根据表1中的船模阻力值计算船模的总阻力系数Ct：

(1)

式中，Rt为船体总阻力，ρ为密度，v为航速，S为浸水表面积。根据1957ITTC公式计算船模与实船的摩擦阻力系数Cf：

(2)

根据弗劳德阻力分类方法，船舶在静水中运动时所受到的阻力可分为摩擦阻力与剩余阻力，因此船舶的总阻力系数等于其摩擦阻力系数与剩余阻力系数之和，即：

Ct=Cr+Cf，

(3)

式中，Cr为船舶在静水中运动时的剩余阻力。

由于对缩尺后的船模模拟工况进行确定时，无法满足弗劳德数Fr和雷诺数Re同时相等，而Fr主要影响船舶的剩余阻力，Re主要影响船舶的摩擦阻力，对缩尺后的船模模拟工况进行确定时，采用了Fr相等的原则，因此船模的剩余阻力系数Crm与实船的剩余阻力系数Crs是相等的，即：

Crs=Crm=Ctm-Cfm，

(4)

式中，Ctm为船模总阻力系数，Cfm为船模摩擦阻力系数。由于Re不同，船模与实船的摩擦阻力系数是不同的，需分别进行计算以确定实船的总阻力系数Cts：

Cts=Crs+Cfs，

(5)

式中，Cfs为实船摩擦阻力系数。根据公式(1) ～(5)及表1中的数据可求得实船的阻力值，见表2。根据表2中的数据可绘制实船的阻力曲线，见图5。

表2 实船的阻力值Table 2 Resistance of the full-scale ship

注：Rs为实船阻力。

图5 13.9 m渔船的阻力曲线Fig. 5 Resistance curve of the 13.9 m fishing ship

由表2可知，该渔船在其设计航速为15 kn时的阻力值约为11 118 N。从图5中可以看出，船舶航速低于15 kn时，船舶的阻力值随着航速的增加而增大；船舶航速高于17 kn时，船舶的阻力值亦是随着航速的增加而增大；但是当船舶的航速在15～17 kn时，船舶的阻力值随着航速的增加先增大后减小而后继续增大，这使得阻力曲线在该区间内产生了一个阻力峰值点和一个阻力谷值点，其峰值点处的航速约为15.5 kn，谷值点处的航速约为16.5 kn。

对该船模型在不同航速时的垂向水动力(如图6所示)进行分析，可以看出，当船舶在水中高速航行时，船舶的垂向水动力小于船舶的重力，这说明船舶在高速航行时产生了出水的现象，且随着航速的增加船体的出水幅度增大，而船体出水会使得船舶的湿表面积和水线面长度减小，这会直接导致船舶在同等航速时粘性阻力和兴波阻力的减小。

当航速由低速到高速逐渐增大时，船舶由于出水幅度较小，阻力增大速率较快；而当船舶在高速阶段时，由于船舶出水幅度较大，使得由于船舶出水而产生的阻力减小量增大，因此这一阶段船舶的总阻力增加速率减缓；而船舶航速在15.5 ～16.5 kn时，船舶由于出水产生的阻力减小量大于由于航速增加而产生的阻力增大量，因此这一阶段船舶的总阻力随着航速的增加而减小。由于船舶本身具有一定的重量，因此当船舶的航速达到了一定的值时随着航速的增加，船舶的出水幅度随之减小，使得由于船体出水产生的阻力减小值小于由于航速增大产生的阻力增大值时，船舶的总阻力将继续呈增大的趋势。