某滚装船双尾鳍型线综合优化研究

潘露峰 周华伟 牟立伟 毛献群 杨素军

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

双尾鳍船型在船身效率方面的优势，使其在宽浅吃水、螺旋桨直径受限的内河船、滚装船等领域广泛应用。但由于尾鳍的遮挡作用，其后方易出现较大范围的高伴流区，呈现出伴流场的高峰值、大梯度、不均匀等特点，是造成此类船型螺旋桨空泡恶化和推进效率降低的重要原因之一。而且，双尾鳍与主船体型线之间的过渡对双尾鳍附近的流场影响很大，型线过渡不顺会产生局部漩涡，增加了黏性阻力而影响船舶的快速性。因此，有必要研究双尾鳍形状参数对伴流均匀度及阻力性能的影响，实现利用双尾鳍船型船身效率优势的同时，对尾鳍线型进行优化。

国内外学者采用数值仿真方法对船尾伴流场、阻力性能的影响因素做了大量研究。初绍伟等基于PARNASSOS软件，研究了某集装箱船在不同方形系数、尾部UV度等对船尾伴流的影响，通过对比数值解发现，当方形系数处于较大值时，船尾UV度的改变对船尾伴流的影响显著。张大有等对一系列长江典型双尾鳍客轮尾轴间距进行分析，发现当尾轴间距控制在0.50～0.55倍船宽之间时，由尾轴间距引起的伴流不均匀问题得到缓解。Kim H K等基于CFD方法，研究了某一集装箱船在不同尾鳍倾斜角与双尾鳍间距下，尾部流场的变化及对阻力特性的影响，发现尾鳍间距较尾鳍倾斜角对阻力特性影响更大。Maimun A等从尾部伴流的角度，研究了双尾鳍间距与尾轴去流角的变化对推进性能产生的影响。

在尾鳍对船尾伴流的影响因素的研究上，各学者分别从双尾鳍间距、尾鳍角度、尾部去流角以及船尾UV度等参数对船尾伴流及阻力性能的影响进行分析。本文以某双尾鳍滚装船船模为研究对象，因双尾鳍型船特性，尾部型线趋于平缓，型线调整受限，优化空间小，尾鳍间距为0.55倍船宽，尾鳍间的流场干扰小，而尾鳍倾斜角度的改变会影响螺旋桨推进效率，设计中一般选择直立型尾鳍，基于以上学者的研究结果及研究船模的自身特性，在研究过程中不再讨论船尾UV度、尾鳍间距与尾鳍倾斜角的变化对双尾鳍优化的影响，对该领域进行一定的补充研究与探讨，以达到尾鳍优化的目的。本文基于STAR-CCM+软件，预报了船尾桨盘面的标称伴流、船模阻力，并与试验对比，以验证CFD方法的可靠性。然后，使用MARIC自开发的船型变换软件Sline，对所要研究的尾鳍特征参数进行变换，通过CFD方法研究尾轴以上0.8

R

处的尾鳍去流角、尾鳍导圆半径、桨盘与尾轴出口端的距离对船尾伴流及阻力的影响，以获得伴流均匀度与阻力皆优的双尾鳍优选方案。

1 研究对象与方法

1.1 计算模型

研究过程以某双尾鳍滚装船为研究对象，拥有船模试验数据支撑数值结果，数值计算过程以模型尺度进行，船模长度为7 m、长宽比为5.7、船宽吃水比为4.0、方形系数为0.680、傅氏数为0.31，双尾鳍型滚装船模型见图1。

图1 双尾鳍滚装船模型

1.2 计算策略

因为研究的船模左右对称，为减少网格数量，增加数值求解速度，在SATR-CCM+软件进行数值模拟过程中取半船进行计算，研究过程中比较了Realizable

k

-

ε

模型与SST

k

-

w

模型两种湍流模型对船模尾部伴流场模拟与阻力计算的精度，发现两者在伴流场模拟的精度上差异很小，但Realizable

k

-

ε

模型在阻力计算精度优于SST

k

-

w

模型，Realizable

k

-

ε

模型为RANS两方程模型，基于标准

k

-

ε

模型对输运方程中的湍流黏度项进行了修正以提高模拟精度，不同湍流模型在流体力学中的适用性可参考文献［5］。壁面处理方法是全

y

+壁面处理方法，是一种混合处理方法，根据网格特征自动生成适宜的边界层网格，根据文献［6］中的教程文件与文献［7］中ITTC（2011b）推荐的CFD应用指南，边界层数设置为5层，厚度为0.018 m，保证

y

+在60左右。基础网格尺寸为

L

/55（

L

为船模长度），因船首尾处的流场形态比较复杂，对船首和船尾处网格进行局部加密，共生成210万个网格。在对计算域的划分过程中，以船尾水线面处为坐标原点，在坐标原点前2

L

，距船首

L

处边界设置为速度进口，船侧2

L

处边界与船模中纵剖面所在平面边界设置为对称平面，船后2

L

处边界设置为压力出口，为增加计算精度，考虑到自由液面的影响，使用VOF方法来捕捉自由液面，空气域的高度为

L

，船底以下2

L

范围内为流体域，两者的边界条件都设置为速度进口，船体表面边界设置为非滑移壁面，计算模型网格生成情况与计算域的划分参见图2和图3。

图2 双尾鳍滚装船网格生成情况

图3 计算域划分

1.3 计算精度分析

为验证CFD的计算精度，将桨盘面0.7

R

、0.8

R

处的伴流分数、伴流等值线图及船模的总阻力系数与模型试验结果进行对比。因该船为左右对称的双桨船，本文仅对比右桨盘面伴流，并以桨盘面正上方为0

°

、顺时针方向为正，伴流模拟结果、阻力计算结果等参见表1、下页图4和图5。

图4 桨盘0.7R 、0.8R处CFD与EFD伴流分数对比

图5 CFD与EFD桨盘伴流图对比

表1 船模阻力结果对比%

从计算结果可以看出，0.7

R

与0.8

R

处的伴流分数曲线波峰、伴流分数峰值位置及桨盘伴流形态与试验吻合较好。船模阻力的数值计算结果与模型试验结果的船模总阻力系数

C

误差为1.25%，较精确预报了船模阻力。

2 伴流均匀度的评判衡准

式中：

R

为螺旋桨半径，m；

w

为各节点伴流分数。

3 尾鳍参数分析及船型变换

双尾鳍形状具有三维特性，其对尾部伴流伴流场及阻力的影响关系非常复杂，难以用于直接研究。考虑到桨盘0.7

R

处的伴流数值是螺旋桨设计过程中的重要参考参数之一，由于船后桨盘的抽吸作用，本文选取尾轴正上方0.8

R

水线形状参数作为研究对象，基于MARIC自开发的船型变换软件Sline，调整距尾端1.0

D

（

D

为螺旋桨直径）位置的去流角

i

、尾鳍导圆半径

r

得到不同特征参数的尾鳍型线。船型变换过程中，根据不同尾鳍特征参数的值，在CAD中勾画出尾轴上端0.8

R

处尾鳍水线，然后导入至Sline软件中作为背景线，基于该背景线对附近水线光顺过渡，最后基于软件对型线进行三向光顺，得到特定参数值下的型线。其变换示意图见图6。

图6 尾轴正上方0.8R水线形状参数变换示意图

4 尾鳍参数对伴流场和阻力的影响

4.1 去流角的影响分析

基于对双尾鳍特征参数的分析，为探究尾轴上端0.8

R

水线处尾鳍去流角

i

对船尾伴流及阻力的影响，在保持其他船型参数不变的基础下，仅改变尾鳍去流角

i

（12

°

、16

°

、20

°

），尾鳍导圆宽度半径

r

保持不变，得到研究方案对比参见表2和图7。

表2 不同去流角的方案

图7 0.8R水线处不同去流角方案对比图

表3 去流角i对伴流及阻力的影响

图8 不同去流角（i）对桨盘0.7R处伴流分数的影响

4.2 尾鳍导圆半径的影响分析

基于对双尾鳍特征参数的分析，为探究尾轴上端0.8

R

水线处尾鳍导圆半径

r

对船尾伴流及阻力的影响，在其他船型参数保持不变的基础上，仅改变尾鳍导圆半径

r

（0.02

D

、0.04

D

、0.08

D

），尾鳍去流角

i

保持16

°

不变，即可得到研究方案，如表4和图9所示。

表4 不同尾鳍导圆半径r方案

图9 0.8R水线变尾鳍导圆半径方案对比图

图10 不同尾端半径（r）对桨盘0.7R处伴流分数的影响

表5 尾鳍导圆半径r对伴流的影响

另外，根据现有试验数据分析，随着特征参数

i

与

r

的增加，对船尾伴流场的影响呈变大的趋势。尾鳍导圆宽度的改变对伴流均匀度的影响较去流角的变化大，尾鳍去流角

i

的改变对船模阻力性能的影响较尾鳍导圆半径

r

的改变大。

4.3 桨盘距尾轴距离的影响分析

表6 桨盘距离尾轴距离对伴流的影响

图11 桨盘与尾轴距离对桨盘0.7R处伴流分数的影响

5 结 论

以某双尾鳍滚装船为研究对象，采用CFD方法，通过研究去流角、尾鳍导圆宽度、桨盘距尾轴的距离对船尾伴流及阻力性能的影响，对双尾鳍型线进行优化，获得以下主要结论：

（1）根据与模型试验的对比，应用CFD方法对双尾鳍船尾伴流及阻力进行预报的精度较高，能比较精确的预报伴桨盘面的伴流轴向速度、伴流峰值、峰值点所在位置和船模阻力与试验结果吻合较好。

（2） 双尾鳍尾轴以上0.8

R

处的尾鳍去流角、尾鳍导圆半径对船尾伴流及阻力的影响较大，当二者参数值变大时，船尾伴流分数值

w

变大，该现象在桨盘面±40

°

范围内更加显著，桨盘面的伴流均匀度也会变差；从差值角度分析，特征参数

i

、

r

的变化对船尾伴流均匀度的影响程度较平均伴流大，且尾鳍导圆厚度变化对伴流均匀度的影响程度较尾鳍去流角敏感。

（3）综合分析尾轴以上0.8R处的尾鳍去流角与尾鳍导圆宽度对船尾伴流和阻力的影响，当尾鳍去流角与导圆半径分别取16°、0.04D时相对较优。

（4）桨盘面适当后移可改善伴流均匀度。

通过研究，尾鳍参数的改变会导致伴流均匀度的变化，但未考虑螺旋桨的作用。在后续工作中，将从船与桨的角度研究不同尾鳍参数下伴流场对螺旋桨推进性能的影响。