基于CFD的不同船首倾角船体阻力特性仿真研究

2020-10-22孙丰泰韩兆林

机械与电子 2020年10期

孙丰泰，韩兆林

(青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061)

0 引言

船舶首部的变化会引起船体流场伴流发生相应变化，进而引起船体阻力特性发生变化。杨大明等[1]研究了在船速较低的肥大型船舶上,应用前伸型球鼻艏会取得降阻效果，验证了在设计航速(11 kn)附近，改加了球鼻艏的新船型总阻力比原型船减少约12%；Kim等[2]对KCS船首曲面进行修改，在3个航速段分别对船模的舯前部进行阻力性能优化。王超等[3]研究了3种形式的球鼻艏对船体阻力的影响；Zhang 等[4]为了获得具有优异的阻力性能的船体形式，开发了具有自主知识产权的船首型线优化设计方案，可以使得船舶阻力明显降低。魏成柱等[5]在内倾式船首上加装楔形压浪体来改善干舷淹湿和兴波，减小航行阻力；Javadi等[6]对不同船首形状船模的阻力特性进行了研究，研究结果表明标准船首在0.19～0.3傅汝德数下的剩余阻力大于tango型船首。兰林强等[7]对船体球鼻艏各项参数进行了自动优化调整直至满足减小船舶兴波阻力的优化目标。王威等[8]在高速深V船首部增加附体来减小兴波阻力。魏成柱等[9]研究了水线以上船首形式变化对单体穿浪船水动力性能的影响。Lee等[10]研究了尖型船首与钝型船首在静水和波浪中的阻力特性，结果表明尖型船首阻力小于钝型船首。

作为船首重要组成部分，艏柱与船舶的阻力性能有着直接关系。目前，对船首艏柱研究多集中在艏柱结构与制造方面，对与船首艏柱相关的阻力性能研究鲜见报导。本文研究艏柱角度的改变对船体阻力性能所带来的变化，对不同艏柱角度的船首船型在静水中的直航运动进行数值模拟，对比不同艏柱角度的阻力特性，探讨艏柱角度对船体阻力性能的影响。

1 基本理论及研究方法

1.1 控制方程

Fluent软件中对于不可压缩的粘性流体，流体遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。在模拟船舶运动可以忽略热传导和热交换，因此能量守恒方程可以忽略。质量守恒方程即为流体运动的连续性方程。其微分形式为

(1)

动量守恒方程的微分形式为

(2)

1.2 湍流模型

Fluent中可提供的湍流模型有标准k-ε、RNGk-ε、标准k-ω和SSTk-ω等。其中，SSTk-ω模型又称剪切应力输运k-ω模型，由于考虑了剪切力的影响，能够较其他模型更好地模拟强逆压梯度的流场。它在近壁区域和远场都有很好的预测效果，且和其他湍流模型相比，它消耗的计算时间更短。故本文应用SSTk-ω湍流模型。

K的输运方程为

(3)

ω的输运方程为

Gω-Yω+Dω

(4)

Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，Gω为ω方程的产生项；Γk和Γω表明了k和ω的有效扩散；Yk和Yω为由湍动产生的耗散；Dω为交叉扩散项。

2 仿真实验

本文以SV-O为基础模型，使用MAXSURF软件分别设计7种不同艏倾角船首单体船模型。艏柱角度是以船体上表面水平线为基线，水平线以下艏柱沿顺时针旋转至与设计水线平行所经历的角度。为了尽可能保证艏倾角是唯一的影响因素，在模型变换过程中仅改变船首的艏倾角，其他因素(如艉部、水线面、吃水以及水线长等)不发生改变。

2.1 单体船选型及船首角度

船的主要参数如表1所示，形状如图1所示。

表1 船体主要参数

注：内倾式船首(船首角度>90°)；垂直船首(船首角度=90°)；外倾式船首(船首角度<90°)

2.2 计算区域与网格划分

为尽量消除边界反射的影响，经过多次计算实践，本文采用SSTk-ω湍流模型建立以船体中线面为界的半个流域。计算域上边界与吃水线距离0.4倍船长，下边界与吃水线距离0.6倍船长，入口处距船首1倍船长，出口处距船尾3倍船长，船宽方向距中纵剖面1倍船长。

本节网格划分是借助CFD通用前处理软件ICEM来实现的，采用结构化网格，为了更好地捕捉流动特征，网格在船首、船尾和静水面附近进行了加密，流域整体网格数量为240万，整个流域的网格分布如图2所示。

图2 划分的网格

2.3 边界条件与数值方法

计算区域的边界条件包括：进口边界条件、出口边界条件、船体、计算域侧边界和上下边界。其中，进口边界条件设置为mass-flow-inlet，出口边界条件设定为outlet-vent，对称面边界条件设置为symmetry，船体表面及其余表面边界条件设置为wall。

采用多相流模型中的VOF模型来处理自由液面的问题。使用有限体积法FVM对控制方程进行离散。在船体绕流场的计算中，压力-速度采用Couped方法进行迭代求解，时间步长为0.01 s。

2.4 数值计算分析

为了充分比较艏倾角改变后对单体船阻力性能的影响，分别对比7种船首方案单体船在5种工况(航速分别为5 kn、10 kn、15 kn、20 kn、25 kn)下阻力特性，5种工况参数如表2所示。

表2 五种工况航速参数

2.5 不同船首倾角的船体总阻力

7个艏倾角在5种工况下总阻力折线如图3所示，其中RT代表总阻力。

图3 RT-航速折线

由图3可知：随着航速增大，总阻力不断上升，单体船总阻力总体趋势相对一致；中低速(航速≤15 kn),内倾145°船首(最下端边界线是右三角)船体总阻力最小，中高速(15 kn<航速≤25 kn)，外倾60°(最下端边界线是上三角)船首船体总阻力最小；全航速(5 kn≤航速≤25 kn)垂直船首(最上端边界线是下三角)船体总阻力最大，尤其在中高速(15 kn<航速≤25 kn)，垂直船首与其他船首船体总阻力差距十分明显。

为了更准确比较各个方案在不同工况下总阻力差异，总阻力数值及相对误差(以35°为基础)如表3所示。

表3 各方案总阻力数值

由表3可知：随着航速增加，7个船首方案总阻力数值不断增大;中低速(航速≤15 kn)，内倾式船首总阻力小于外倾式船首，其中内倾145°船首船体总阻力最小,航速为10 kn时，内倾145°船首(8 373 N)与其他船首总阻力(11 310 N)差距最大(高达27.97%)；在中高速(15 kn<航速≤25 kn)，外倾式船首总阻力小于内倾式船首，其中外倾60°船首船体总阻力最小，在航速为25 kn时，外倾60°船首(27 444 N)与其他船首总阻力(35 076 N)差距最大(高达24.96%)；全航速(5 kn≤航速≤25 kn)，垂直船首船体总阻力最大，在航速为25 kn时，垂直船首总阻力(35 076 N)与其他船首船总阻力(27 444 N)差距最大(高达24.96%)。

总之计算结果表明：

a.中低速内倾式船首船体总阻力小，中高速外倾式船首船体总阻力小。

b.全航速垂直船首船体总阻力最大。

2.6 不同船首倾角的兴波分析

为了说明不同船首倾角对自由液面兴波影响，本节选取了低中高3个工况(Fr=0.351,Fr=0.527,Fr=0.703)，分析其自由液面兴波状况，分别如图4～图6所示。

图4 不同船首对应的兴波云图(Fr=0.351)

图5 不同船首对应的兴波云图(Fr=0.527)

图6 不同船首对应的兴波云图(Fr=0.703)

图4～图6中，船后箭头形状代表船体航行中在自由液面兴起波浪的形状，箭头越宽表示兴起的波浪越大，船体所受阻力越大。由图4～图6可知：在相同航速工况下，7个不同船首方案的自由液面兴波波形非常相似，但仍存在细微的差异。差异主要表现在：

a.艏部前方入流区域几乎没有兴波，这与单体船特殊船首形状有关，其艏部薄而尖细。艉部区域存在鸡尾流，并在后方分开成2股，艉部整体兴波成箭头形，这说明艏柱角度的改变没有引起单体船兴波质的改变。

b.7个不同船首方案在船首处产生的波高均处于高峰，船体两侧远离船体处水面逐渐恢复平静，船尾后随着距离越来越大波高逐渐趋于0。

c.随着傅汝德数的增加，7个不同船首方案的自由表面兴起的波浪越明显。对于低航速，兴波不明显，并且波形范围较小，随着航速的提高，艏艉部的波峰有明显的提高，并且波形扩散的范围变大，船首兴起的波浪也越来越高。

2.7 不同船首倾角船体表面淹湿

为了说明不同船首倾角对船体表面淹湿的影响，本节选取了低中高3个工况(Fr=0.351,Fr=0.527,Fr=0.703)，分析不同船首船体表面淹湿状况，分别如图7～图9所示。

图7 不同船首对应的船体表面淹湿(Fr=0.351)

图8 不同船首对应的船体表面淹湿(Fr=0.527)

图9 不同船首对应的船体表面淹湿(Fr=0.703)

由图7～图9可知：在中低高(Fr=0.351,Fr=0.527,Fr=0.703)3个工况下,干舷淹湿区域均集中在船首靠后处;在Fr=0.351时，7个不同船首方案的船体表面淹湿非常相似，说明低速时艏柱角度的改变没有引起船体表面淹湿质的改变；Fr=0.527时，外倾式船首干舷淹湿区面积大于内倾式船首。Fr=0.703时，内倾式船首干舷淹湿区面积大于外倾式船首。

2.8 不同船首船体表面压力

为了说明不同船首对船体表面压力的影响，本节选取了低中高3个工况(Fr=0.351,Fr=0.527,Fr=0.703)，分析不同船首船体表面压力状况，分别如图10～图12所示。

图10 不同船首对应的船体表面压力(Fr=0.351)

图11 不同船首对应的船体表面压力(Fr=0.527)

图12 不同船首对应的船体表面压力(Fr=0.703)

由图10～图12可知：在中低高(Fr=0.351,Fr=0.527,Fr=0.703)3个工况下，船体表面压力有明显的上下分层，这主要是由于空气和水2种不同流体介质的密度不同造成的，随着航速增加，船首部高压区逐渐增大且压力值越来越大，艏艉压力梯度越来越大。在Fr=0.351时，7个不同船首方案船体表面压力分布非常相似，说明低速时艏柱角度改变没有引起船体表面压力质的改变。在Fr=0.527时，干舷表面压力高压区均集中在船首靠后处且外倾式船首船体表面压力高压区大于内倾式船首；在Fr=0.703时，干舷表面压力高压区均集中在船首靠后处且内倾式船首船体表面压力高压区大于外倾式船首。