内河新型豪华游轮船型阻力研究

齐英凯 赵丙乾 刘佳仑

摘 要：由于航道吃水限制及装载工况多变，新一代内河豪华游轮多采用双艉或者三艉设计，船型宽浅肥大，主要船型系数和海船差异较大。本文在以往内河船型阻力研究基础上，以新型内河三艉豪华游轮为研究对象，采用粘性流计算软件FINE/MARINE，考虑了自由面的影响，分别针对裸船体、裸船体带舵及裸船体带舵并考虑船舶运动的影响等三种不同计算状态的船型阻力开展预报研究，并通过水池试验进行有效验证。计算结果满足工程精度要求，可作为新型豪华旅游船的船型阻力评估依据。

关键词：三艉;FINE/MARINE;阻力

中图分类号：U662             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）10-0104-04

内河新一代豪华旅游船船型开发逐步成为行业发展热点。为适应行业新的需求，相较于传统客船，新一代豪华旅游船更安全、更经济、更舒适。特别是随着近年来国家对邮轮经济及产业大力扶持，在内河也掀起了一股豪华邮轮、大型水上娱乐设施的建造热潮。开展新型豪华旅游船船型研究，需要精确评估船舶快速性等参数，在船型设计前期，一般通过水池试验确定船舶快速性能，以便获得优良船型。但是船模试验需要制作船体模型，费用高，周期长，并且不容易针对多种船型方案进行调整。特别是在船舶设计初期，如何精确评估船舶阻力、流场数据，用以掌握船舶性能指标以及方便后期的船舶优化改进，是豪华旅游船船型开发的关键所在。

随着计算性能的快速发展，采用计算流体力学（CFD）研究船舶航行性能已成为可能。相较于模型试验，CFD 费用低，周期短，可以精准获得船舶周围流场特性，方便根据流场改进船型。目前，国内一些研究机构采用RANS加自由面的处理方法，对船舶快速性能预报基本达到工程实用精度[5～8]，但以上研究大都基于海船船型。由于航道吃水限制及装载工况多变，内河船舶多采用双艉或者三艉设计，船型宽浅肥大，主要船型系数和海船有较大差异，目前研究较少。

FINE/Marine 是船舶与海洋工程水动力专业计算软件包[9]，主要包括网格生成器HEXPRESS、后处理工具CFView和不可压粘性流场求解器ISIS-CFD。其特色在于，HEXPRESS为全六面体非结构网格生成工具，采用体到面的网格生成方式，可以快速生成高质量网格。而且，对于船舶工程问题的模拟都可以通过使用界面的设置计算实现，无需通过二次开发功能，方便快捷。

为精确获得豪华旅游船航速功率指标及船舶流场信息，基于计算流体动力学CFD方法，以往内河船型阻力研究基础上，以新型内河三艉豪华游轮为研究对象，采用粘性流计算软件FINE/MARINE，考虑了自由面的影响，分别针对裸船体、裸船体带舵及裸船体带舵并考虑船舶运动的影响等三种不同计算状态的船型阻力开展预报研究，并通过水池试验进行有效验证。计算结果满足工程精度要求，可作为新型豪华旅游船的船型阻力评估依据。

1数学模型

本文对水面船舶自由面扰流问题的数值模拟是将自由面流动作为两相流来处理，自由面为水和空气的交界面，使用VOF（Volume of Fluid）方法处理。水面船舶自由面扰流问题数学模型的控制方程包括：连续性方程、体积分数方程、动量方程，以及湍流模型的方程和方程。

1.1 控制方程

不可压缩黏性流体的连续性方程和动量方程分别为：

式中，t为时间;ρ为密度;V为控制体;S为控制体的面积;Ud为控制体面积法向向量的速度;U和p分别为速度和压力;Ui为在xi坐标轴方向上的平均速度分量;τij和gi分别为黏性应力张量和重力矢量;Ii和Ij分别为方向向量。

1.2湍流模型——SST           模型

1.3自由面捕捉算法

自由液面捕捉法将空气和水作为单一流体同时计算，该单一流体的性能（质量体积和黏性因数）在空间的变化取决于构成函数ci，在自由液面计算中，ci在空气中取值为0，在水中取值为1，通过求解下式确定：

自由液面捕捉算法具有更好的灵活性和适应性，可较好地模拟破碎波等复杂的自由液面。

1.4 离散格式

控制方程的离散项采用隐式有限体积法，直接求解三维黏性不可压多相流的雷诺平均方程，具有2阶空间和时间精度，动量方程离散采用GDS格式，时间离散采用时间步进算法。自由液面捕捉采用BRICS可压缩型离散格式，能减小自由液面附近构成函数的数值扩散。

2 研究对象

本文的研究对象为内河三艉豪华旅游船。航行于长江重庆-上海航线，设计航区为A、B、C 航区，J2级急流航段。船型为三艉、小球首单体船型。为准确预报船舶阻力，在702所拖曳水池进行阻力测试。本文对船模尺寸进行CFD模拟计算。主要船型参数如表1所示，船体三维模型见图1：

3数值计算

3.1计算区域及边界条件

为分析对比不同船型计算方案的影响，本文选择全船进行水动力计算。其中计算边界定义如下：

（1）前端——模型首部前約1.5LPP处;

（2）后端——模型尾部后约3.5LPP处;

（3）侧边界——模型侧方约1.5LPP处;

（4）上边界——水线以上约0.5LPP处;

（5）下边界——水线以下约1.5LPP处。

计算域上下边界取为压力边界，前后截面及船侧取为远流场边界条件，船体甲板面为滑移物面，其他表面为不可滑移物面条件。在求解过程中存在时间偏导项，船体从静止到某一航速，给定加速时间，然后船舶按照设计航速航行直至收敛。

3.2网格划分

计算网格质量影响数值计算的正确性和精确性。本文采用软件自带前处理器HEXPRESS生成全六面体非结构化网格。通过网格粗化、细化，吸附以及自由面附近进行细化形成贴体网格。其中第一层边界层网格间距及边界层层数根据y+确定。分别对三艉豪华游轮进行裸船体和裸船体加舵两种状態下的网格划分，其中裸船体加舵计算网格总数约为192万，裸船体网格总数为152万。网格质量通过网格之间的正交性来保证，即绝大部分网格正交性为90 deg。其中，对于裸船体的网格最小正交性为≥12.51deg，对于裸船体加舵的网格，由于舵尾缘尺寸较小，最小正交性为≥11.29deg，网格质量满足数值计算要求。计算区域网格、船体表面网格及船体首尾网格细节划分如图2、图3、图4所示。

4计算结果分析

分析结果处理中，无量纲系数傅汝德数Fr，雷诺数Re、船舶总阻力系数CT和摩擦阻力系数CF_ITTC分别定义如下：

式中：Vm为求解船模速度;g为重力加速度;ρw，μw分别为水的密度和粘性。Sw为船舶静水湿表面积。R为船模阻力。

水面船舶前进时，会对其周围流场产生影响，导致压力场和剪应力场发生变化，也就是使船舶所受到的力和力矩发生变化：

数值模拟中，作用在船体上的力和力矩可以有（10）～（11）两式得到，船舶运动的速度、角度、位置和姿态可以由（12）～（13）得到。船体在静水中前进时，流体作用在船体上的力和力矩会使船体产生运动（纵倾和升沉），船体运动至新的姿态后，又使得作用在上面的力和力矩发生变化，力和力矩的变化与船模运动数值模拟的过程是耦合迭代的。数值模拟的过程足够长时间后，力、力矩会相对平稳，船体运动姿态也会相对稳定，这个姿态就是船体航行的平衡姿态。

为后期进行船型研究需要，在进行CFD数值计算时，考虑三种计算状态，分别为：CAL_I，带舵船体数值模拟，考虑船舶运动（纵倾和升沉）的影响;CAL_II，带舵船体数值模拟，不考虑船舶运动的影响（纵倾和升沉）;CAL_III，裸船体进行数值模拟，考虑船体运动的纵倾和升沉的影响。三种状态在不同航速计算结果以及与试验结果的对比如图5和表2所示，其中误差的定义为ERR=（CCAL-CEXP）/CEXP。

船模在进行水池试验时带舵进行的，为了进行数值模拟有效性验证及后期船型优化的需要，在进行数值模拟时考虑了三种状态。其中，CAL_I为带舵船体数值模拟并考虑船舶运动（纵倾和升沉），CAL_I与物理水池的实际更为接近，误差基本在2%左右，且CFD数值模拟结果比试验结果略小，趋势稳定，充分说明CFD模拟的精度和可靠性。CAL_II为带舵船体CAL_II，带舵船体数值模拟，不考虑船舶运动的影响（纵倾和升沉）。主要是为了验证船舶运动姿态对于船型阻力的影响。可以看出，随着船舶航速的提高，船舶运动姿态的影响越大。CAL_III为裸船体进行数值模拟并考虑船体运动（纵倾和升沉）的影响。可以看出，舵的影响相对来说比较稳定，三个舵阻力增量基本在4%左右。可以看出对于不同的研究目的，需要考虑船舶计算模态各不相同，对于船舶线型优化来说，由于舵等附体增加线型优化的复杂性，因此选择裸船体（CAL_III）进行优化，对于船舶航速功率预报而言，舵等附体阻力成分不可忽略，因此选择裸船体带舵进行计算（CAL_I或CAL_II）。船舶运动对船体阻力的影响随航速有所差别，对于低速船而言，船舶纵倾和升沉的变化较小，因此不考虑船舶运动的影响也相对合理，但是船舶航速增加时，船舶纵倾和升沉的变化对于流场的改变不可忽视，船舶运动将会对船舶阻力、兴波产生比较明显的影响，因此在数值模拟中需要考虑船舶纵倾和升沉的影响。

基于CFD的船舶阻力评估分析可以给出船舶详细的航速流场信息，方便船型的优化和改进，这是CFD的一大优势。上图分别为船模对应设计航速下的自由表面流场，船体侧方波高及船舶水线高度，未来可以根据。

5结论

为精确获得豪华旅游船航速功率指标及船舶流场信息，基于计算流体动力学CFD方法，以往内河船型阻力研究基础上，以新型内河三艉豪华游轮为研究对象，采用粘性流计算软件FINE/MARINE，考虑了自由面的影响，分别针对裸船体、裸船体带舵及裸船体带舵并考虑船舶运动的影响等三种不同计算状态的船型阻力开展预报研究，并通过水池试验进行有效验证。计算结果满足工程精度要求，可作为新型豪华旅游船的船型阻力评估依据。

参考文献：

[1]交通运输部.内河运输船舶标准化管理规定[Z].2014.

[2]交通运输部.内河运输船舶标准船型指标体系[Z].2012.

[3]中国船级社.内河船舶能效设计指数（EEDI）评估指南[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4]中国船级社.绿色船舶规范[M].北京：人民交通出版社，2012.

[5] 黄少锋，李百齐，陈京谱. CFD在船舶工程的实际运用[A].第21届全国是动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集[C].2008.323-332.

[6] 吴乘胜，赵峰，张志荣，高雷，祁江涛.基于CFD模拟的水面船功率性能预报研究[J].中国造船，2013，54（1）：1-11.

[7] 方昭昭，赵丙乾，陈庆任.基于CFD双艉船型阻力数值预报[J].中国舰船研究， 2014，9（4）：36-44.

[8] 邓贤辉，方昭昭，赵丙乾.基于计算流体动力学的最小阻力船型自动优化[J].中国舰船研究，2015，10（3）：19-25.

[9] 魏子凡，井升平，杨松林.新型高速艇的CFD 模拟和对比分析[J].中国舰船研究， 11（4）： 22-28.

[10] 刘应中，缪国平.高等流体力学（第二版）[M].上海交通大学出版社，2002.