基于COMSOL 的船体增阻板可行性分析

胡 健，黄鑫伟

（重庆交通大学 航运与船舶工程学院，重庆 400074）

0 引言

船舶在船厂修建完毕后，会通过滑轨下水。在这一过程中，滑行过快或滑行距离过远均会造成安全隐患。目前，船厂主要通过抛锚增加下水船舶的阻力，但这会对锚链和船舶造成一定损伤，船舶也极有可能因锚链的拉扯而产生运动失控。针对特定情况下的增阻需求，薛琳等[1]和朱鹏飞[2]提出在船舷两侧安装增阻板以增大船舶阻力。考虑到雷诺平均N-S 方程能较好解决船体的综合水动力问题[3-5]，本文采用RANS 法计算无增阻板和有增阻板等2种情况下的船舶阻力，探讨增阻板的作用效果和机理，并分析流固耦合[6]作用下船体和增阻板的受力和位移情况。

1 船型与计算方法

本文计算模型为Wigley 船模，仅考虑水下增阻板的作用效果，船体参数见表1，计算工况设置情况见表2。

表1 船体参数

表2 计算工况

利用COMSOL 软件对船体和水池进行参数化建模，船模和水池的参数与参考文献[7]保持一致，Wigley 船模和计算区域分别见图1 和图2。

图1 Wigley 船模

图2 计算区域

1.1 经验公式法

如式（1）和式（2）所示，通过国际拖曳水池会议（International Towing Tank Conference，ITTC）公式计算摩擦阻力因数，通过巴甫米尔近似公式求解黏压阻力因数，最后通过阻力因数与阻力的换算关系得到阻力值。

式（1）和式（2）中：Cf为摩擦阻力因数；Cpv为黏压阻力因数；Re 为雷诺数；Am为中横剖面面积；S为湿表面积；Lr为去流段长度。

不同工况下船舶阻力经验值见表3。

表3 船舶阻力经验值

1.2 数值模拟

由文献[7-9]可知，RNG k-ε湍流模型能较好地处理船体弯曲程度较大的流场，其得到的船舶阻力更符合实际情况。因此，本文在计算按时采用RNG k-ε湍流模型。

1.2.1 计算区域与网格划分

采用COMSOL 软件生成网格，由于计算域具有高度对称性，故选用计算域的一半用于研究。为便于划分网格，将计算域分为12 个部分。网格划分采用结构网格和非结构网格相结合的方式，能在提高计算效率的同时得到真实值[7]。远离船体的计算域采用结构化网格，船体及附近区域采用非结构网格。为得到增阻板实际的作用效果，对船体弯曲部位和增阻板的表面进行细化处理。网格划分情况见图3。

图3 网格划分情况

1.2.2 仿真结果

为验证数值模拟的可靠性，对不设增阻板的船体进行阻力预报，结果见表4。压阻力和黏性阻力的变化规律符合真实情况，黏性阻力的平均占比达81%。

表4 船舶阻力数值计算值

1.3 结果对比

经验值与模拟值对比情况见图4，两者具有较高的一致性，这说明COMSOL 软件在船舶阻力估算方面具有一定的可靠性。

图4 经验值与模拟值对比

2 设有增阻板船体的阻力预报

2.1 增阻板介绍

设有增阻板的船体模型见图5，为提高建模效率和计算效率，本文在不影响增阻板效果的前提下 简化增阻板，并保留一定的细节。增阻板采用结构钢，具体参数见表5。

图5 设有增阻板的船体模型

表5 增阻板参数

2.2 网格无关性检验

以Fr=0.25 时的阻力值为指标进行网格无关性验证，阻力值随网格数量的变化关系见图6。当网格数量在100 000 以上时，阻力趋于稳定。

图6 Fr=0.250 时的阻力值

2.3 增阻效果

水流绕过船体和增阻板后，其流速和压力分布情况分别见图7 和图8。当水流流经增阻板和船体时，增阻板后方会产生旋涡，这会导致负压区的出现，进而增大船体阻力。

图7 流速分布情况

图8 压力分布情况

由表6 和图9 可知，在加装增阻板后，船体所受阻力迅速增加。其中，压阻力增长幅度快于黏性阻力，这是由于增阻板前后压力的变化导致。当Fr=0.45 时，阻力由4.937 N 增加至80.538 N，增阻率为1 531%，平均增阻率为1 463%，增阻效果良好。船体阻力的快速增加能有效避免下水船舶滑行过远或过快导致的通航安全问题。

表6 船舶阻力数值计算值（设增阻板）

图9 增阻前后总阻力对比

2.4 应力应变分析

为确保增阻板结构稳定、船体结构安全，计算不同工况下设有增阻板的船体在绕流场中的应力和 变形情况。应力云图和位移云图分别见图10 和图11，各工况的最大应力和最大位移见表7。

表7 最大应力及最大位移仿真结果

图10 应力云图

图11 位移云图

由图10 可知，增阻板与船体接触的上边缘受力最大，增阻板与船体连接部位应力较大。随着Fr增大，应力值逐渐增大。建议对连接部位做加强处理，可考虑采用加强筋等措施缓解船体所受拉力。由图11 可知，随着Fr 增大，远离船体边缘的增阻板外侧位移逐渐增大，符合实际情况。当Fr=0.45时，增阻板最大位移也仅为1.354×10-5m，故在一定工况内，水流不会使增阻板变形过大。

3 结论

本文采用RANS 法探究增阻板的增阻效果，并分析流固耦合作用下增阻板的应力和位移情况，可得到以下结论：

1）采用RNG k-ε湍流模型得到不同航速下船舶阻力变化规律，经验值与模拟值具有较高的一致性。

2）船舶安装增阻板后，船模所受的阻力呈线性增加，增阻板在提高船舶阻力方面效果显著，能有效限制船体滑行速度和距离，提高了船舶下水的安全性。

本文通过探讨设置增阻板的可行性，分析不同航速下增阻板对船舶阻力的影响，研究成果可为特定情况下的船舶增阻研究提供一定参考。