艏艉線型優(yōu)化對(duì)船舶阻力性能的影響＊

王 超，何 苗，王 偉，熊 鷹，黃 勝

（1.海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033；2.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

艏艉線型優(yōu)化對(duì)船舶阻力性能的影響＊

王 超1，2，何 苗2，王 偉2，熊 鷹1，黃 勝2

（1.海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033；2.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

為提高母型船阻力性能，以船體阻力性能為優(yōu)化對(duì)象，基于改造母型船法，研究船舶球鼻艏以及船尾線型的改變對(duì)船舶阻力性能的影響。采用高度集成化的Tribon系統(tǒng)、可視化繪圖軟件Auto CAD及CFD（Computational Fluid Dynamics）通用前處理軟件ICEM聯(lián)合建模的方法來(lái)建立船體模型。通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比分析，驗(yàn)證CFD技術(shù)在船舶阻力性能預(yù)報(bào)中的合理性和有效性。通過(guò)對(duì)比3種不同球鼻艏時(shí)的船體阻力得知：從阻力性能方面考慮，對(duì)于低速豐滿型船舶選用普通型球鼻艏以及中高速船舶采用上翹型球鼻艏均可以獲取較好地減阻效果。同時(shí)比較不同航速下尾部線型對(duì)船體總阻力的影響表明，選優(yōu)后的方形尾在相同的航速下阻力低、消耗的功率小、形狀效應(yīng)小、黏壓阻力和摩擦阻力也相對(duì)較小。

球鼻艏；阻力性能；傅汝德數(shù)；CFD技術(shù)；數(shù)值模擬

隨著當(dāng)今世界能源緊張，燃油成本在船舶營(yíng)運(yùn)總成本中的比重也不斷提升，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的船型，節(jié)能降耗已成航運(yùn)界和造船界共同追求的目標(biāo)。在船舶性能研究領(lǐng)域，降低油耗，提升船舶的快速性指標(biāo)，已成為新船建造必做的研發(fā)內(nèi)容［1］。船舶線型的優(yōu)劣是衡量船舶快速性技術(shù)水平的標(biāo)志性因素之一。在現(xiàn)代艦船設(shè)計(jì)中，球鼻艏被廣泛地應(yīng)用在各種軍事和民用船舶中。對(duì)于民用船舶來(lái)說(shuō)，球艏產(chǎn)生的波與船首前波相互疊加可以形成有利干擾，能夠有效地減小興波阻力，有利于提高航速以達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性能；對(duì)于軍用艦船，球鼻艏內(nèi)還可以放置聲納等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)特殊的功能［2－5］。球鼻艏有常規(guī)型、上翹型、埋首型等多種形式，不同形式的球鼻艏對(duì)于船舶性能的影響也各不相同［6－7］。從有利于阻力性能的角度來(lái)進(jìn)行球鼻艏的選型，以獲得更加優(yōu)良的局部型線，為船舶節(jié)能提供一種行之有效的方法。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，為船型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了高效快捷的手段。船型優(yōu)化包括船體型線優(yōu)化，船體型線優(yōu)化通?？梢詰?yīng)用數(shù)學(xué)方法對(duì)型線進(jìn)行光順，電子計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)生型線更是得到了廣泛的應(yīng)用［8］。近年來(lái)CFD技術(shù)的發(fā)展迅猛，使得船舶黏性繞流場(chǎng)的數(shù)值模擬也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，對(duì)于單體船流場(chǎng)，不僅可以得到船體表面波形以及尾部伴流特征，在阻力預(yù)報(bào)上也與試驗(yàn)吻合較好，為船體線型的優(yōu)化和評(píng)價(jià)提供了良好手段。

以船體阻力性能為型線優(yōu)化對(duì)象時(shí)，只能在某些約束條件下完成。本文在保證母型船主要參數(shù)不變的情況下，基于改造母型船法，借助Tribon－Lines模塊進(jìn)行船舶線型的生成和光順。采用CFD技術(shù)對(duì)船舶阻力較為敏感的球艏及尾部線型進(jìn)行分析研究，通過(guò)船舶快速性及流場(chǎng)特性預(yù)報(bào)，比較不同球鼻艏及尾部線型方案的阻力性能優(yōu)劣。同時(shí)文中還對(duì)不同傅汝德數(shù)下船體周?chē)杂梢好嫒S波形圖和波高等值線進(jìn)行了比較分析。

1 艏艉的選型

1.1 球鼻艏線型

選取3條與母船型相似的帶有不同球鼻艏的船型進(jìn)行黏性繞流場(chǎng)的數(shù)值模擬，討論不同形式的艏部線型對(duì)船體阻力的影響。為了便于說(shuō)明，3種新船型記為方案1、2和3。方案1具有與母型船同樣的埋首型球鼻艏，只是尺度有所不同（具體差異見(jiàn)表1）；方案2為普通型球鼻艏；方案3為上翹型球鼻艏，球艏具體形狀見(jiàn)圖1。為了使計(jì)算結(jié)果具有可比性，將3條新船主尺度經(jīng)過(guò)仿似變換變成與母船型相同的尺寸。

表1 不同船型的球艏幾何參數(shù)Table 1 The parameters of different bulbous bows

上表中球艏的主要幾何參數(shù)［7］定義如下：

突出量（長(zhǎng)度系數(shù)）：CLpr＝Lpr／Lpp（Lpr—球艏伸出首垂線的長(zhǎng)度，Lpp—垂線間長(zhǎng)）；

高度系數(shù)：CZb＝Zb／Tft（Zb—球艏最前緣點(diǎn)距基線的高度，Tft—首吃水）；

橫剖面面積系數(shù)：CS＝S／SM（S—首垂線處橫剖面面積，SM—船中橫剖面面積）；

縱剖面面積系數(shù)：CSL＝SL／SM（SL球艏縱剖面面積；SM—船中橫剖面面積）；

圖1 各方案船型球鼻艏橫剖面形狀Fig.1 The bulbous bows section shapes of different projects

1.2 尾部線型

母船型尾部為巡洋艦艉，方案船型為兩形狀不同的方形艉。為討論方便，現(xiàn)將母型船及改造后的船型分別編號(hào)為RCSM－Ⅰ、RCSM－Ⅱ、RCSM－Ⅲ。在進(jìn)行尾部線型改進(jìn)時(shí)，假定參考船型與母型船的浮心縱向位置Xb完全相同，將參考船型的總尺寸縮尺比為母型船的主尺度，然后取其后體型值進(jìn)行方案船型的組合。在進(jìn)行船艉型線生成時(shí)特別要注意過(guò)渡區(qū)的型線光順，其過(guò)渡質(zhì)量用Tribon－Lines的3向光順模塊來(lái)確定。圖2給出了母型船的橫剖線圖以及改型后的方案船型的橫剖線圖。RCSM系列船型的濕表面積變化、排水體積變化、方形系數(shù)Cb以及棱形系數(shù)Cp變化見(jiàn)表2。

圖2 艉部型線Fig.2 The section lines of stern

表2 RCSM系列船型參數(shù)Table 2 The parameters of RCSM ship hulls

2 湍流模型的選取

SST（Shear Stress Transport）湍流模型考慮了湍流剪應(yīng)力的輸運(yùn)特性，能夠準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)由于逆壓梯度導(dǎo)致的流動(dòng)分離點(diǎn)和分離區(qū)域，因而在帶分離的復(fù)雜湍流的預(yù)報(bào)研究中能發(fā)揮很大的優(yōu)勢(shì)［9］。由于該湍流模型是在結(jié)合?；蟮膋－ω湍流模型和k－ω湍流模型的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，并且在湍流黏性系數(shù)中考慮了輸運(yùn)效應(yīng)，因而比k－ω二方程湍流模型更加先進(jìn)［7］。

湍動(dòng)能k的輸運(yùn)方程：

湍流耗散ω的輸運(yùn)方程：

湍流黏性系數(shù)：

混合函數(shù)（Blending function）F1和F2有如下定義：

3 計(jì)算模型的建立

3.1 船體與計(jì)算域生成

采用高度集成化的Tribon系統(tǒng)、可視化繪圖軟件Auto CAD和CFD通用前處理軟件ICEM聯(lián)合建模的方法來(lái)建立船體模型。其中采用Tribon系統(tǒng)的Lines模塊來(lái)完成型值細(xì)化的內(nèi)容，界面見(jiàn)圖3。在Lines模塊中導(dǎo)出.dxf格式文件（三維視圖），在可視化繪圖軟件AutoCAD里做一下簡(jiǎn)單處理：為了避免導(dǎo)進(jìn)ICEM后圖形失真，可在折角線處打斷；并且為了有利于在ICEM里建模方便，在盡量滿足真實(shí)船體曲面的前提下，可以將一些不必要的線條刪掉。最后就可以在通用CFD前處理軟件ICEM里生成船體曲面了，最終的實(shí)體模型見(jiàn)圖4。

圖3 Lines模塊系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.3 The run interface of module system

圖4 船體曲面Fig.4 The ship hull

計(jì)算域選取為1個(gè)橢圓形［10］，縱向從船艏向前延伸1個(gè)船長(zhǎng)，船尾向后延伸3個(gè)船長(zhǎng)，橫向從中縱剖面向兩側(cè)各延伸1.5個(gè)船長(zhǎng)，靜水面向下延伸1個(gè)船長(zhǎng)。由于流動(dòng)對(duì)稱，計(jì)算域取整個(gè)流域的一半，計(jì)算域的示意圖見(jiàn)圖5。其中入口處給定均勻來(lái)流速度V及湍流參數(shù)，出口采用開(kāi)放式邊界，對(duì)稱面使用對(duì)稱邊界條件，計(jì)算域頂部及遠(yuǎn)方邊界為滑移壁面，船體表面為不可滑移壁面。

圖5 計(jì)算域分塊示意圖Fig.5 The three dimension chart of calculative region

3.2 網(wǎng)格劃分

高質(zhì)量的網(wǎng)格是實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬成功的首要條件。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的特點(diǎn)是每一節(jié)點(diǎn)與其相鄰點(diǎn)之間的聯(lián)接關(guān)系固定不變且隱含在所生成的網(wǎng)格中，因而不必專門(mén)設(shè)置數(shù)據(jù)去確認(rèn)節(jié)點(diǎn)和相鄰點(diǎn)之間的聯(lián)系，可以減少一些常用差分格式的數(shù)值擴(kuò)散誤差；同時(shí)在計(jì)算過(guò)程中收斂性快，穩(wěn)定性好，可以較準(zhǔn)確地體現(xiàn)固壁對(duì)流場(chǎng)的影響。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適應(yīng)不規(guī)則區(qū)域性強(qiáng)，局部和全局分解、加密和整合性好，能較好地處理邊界和控制網(wǎng)格單元的大小、形狀及網(wǎng)格的位置［9］。本文網(wǎng)格劃分是借助CFD通用前處理軟件ICEM來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，艏艉部均采取C型網(wǎng)格，其他部分采取H型網(wǎng)格。為了更好的捕捉流動(dòng)特征，網(wǎng)格在船艏、船尾和靜水面附近進(jìn)行了加密。整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格分布見(jiàn)圖6。

圖6計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig.6 The mesh distribution of ship calculation domain

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

本文在考慮黏性理論的范疇內(nèi)，將目前較流行的CFD技術(shù)應(yīng)用于船體的阻力性能研究中。在考慮自由液面效應(yīng)的前提下，模擬在不同航速下船體的黏性流場(chǎng)，獲取了不同球艏及尾部線型時(shí)船體的阻力以及自由液面的變化情況等。由于研究對(duì)象屬于排水船型，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不可避免地會(huì)受到興波阻力的作用，所以需要考慮到自由液面問(wèn)題［11］。計(jì)算時(shí)采用基于VOF（Volume of Fluid）法的均勻多相流模型來(lái)模擬自由液面。

4.1 阻力計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

圖7給出了算例船在不同傅汝德數(shù)下船體阻力變化結(jié)果，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)值［12］對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)二者存在一定的誤差，并且隨著航速的增加差距也在加大。誤差的產(chǎn)生主要應(yīng)由試驗(yàn)誤差和數(shù)值模擬誤差2部分組成，但從圖7中看出總體來(lái)說(shuō)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)比較吻合，可以滿足工程運(yùn)用需要。進(jìn)而認(rèn)為采用CFD技術(shù)對(duì)考慮自由液面的船體阻力進(jìn)行預(yù)報(bào)可得比較合理的結(jié)果，CFD技術(shù)將成為船舶阻力性能預(yù)報(bào)中的1種快捷且有效的方法。

圖7 阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.7 Comparison of resistance between calculation and experimentation

4.2 不同球鼻艏時(shí)的船體阻力

圖8給出了在不同傅汝德數(shù)（Fr）時(shí)具有不同類(lèi)型球鼻艏船體的阻力變化曲線，從中可以看出不同航速情況下方案1（埋首型球鼻艏）產(chǎn)生的船體阻力比另外方案產(chǎn)生的阻力都大；在低速段（Fr＜0.23）時(shí)，方案3（上翹型大球艏）船體阻力值介于方案1和2（普通型小球艏）之間；而當(dāng)Fr＞0.23時(shí)，方案3阻力值最小，方案1值最大。從而以阻力性能方面考慮，對(duì)于低速豐滿型（Fr＜0.22）船舶選用方案2以及中高速（Fr＞0.22）船舶采用方案3均可以獲取較好地減阻效果。

圖8 船體阻力曲線Fig.8 The curve of ship resistance

4.3 不同尾部線型時(shí)的船體阻力

3個(gè)船型的數(shù)值模型均參照船舶水池試驗(yàn)方案數(shù)值模型的相關(guān)設(shè)定來(lái)建立。數(shù)值計(jì)算模擬了這3個(gè)方案分別在6個(gè)航速下的黏性自由面流動(dòng)。圖9給出了母船型阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值比較以及方案船型的阻力計(jì)算值。由圖9可以看出：（1）計(jì)算所得的RCSM－Ⅰ船型靜水阻力曲線和試驗(yàn)所得曲線發(fā)展趨勢(shì)基本上一致，大體上能較好地反映單體船模在靜水中航行時(shí)的阻力特性。（2）計(jì)算得到的總阻力與模型阻力試驗(yàn)得到的總阻力在航速較低時(shí)比較接近，但隨著航速的增加，總阻力系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值產(chǎn)生偏差；從整個(gè)模擬結(jié)果看，模擬計(jì)算值要比試驗(yàn)值小。（3）從計(jì)算所得的3種方案船型阻力值可以看出，RCSM－Ⅱ的方形尾的阻力值明顯低于RCSM－Ⅰ和RCSM－Ⅲ船型阻力值。

圖9 RCSM船型阻力曲線Fig.9 Resistance curves of RCSM ship hulls

4.4 球鼻艏對(duì)自由液面的影響

圖10 自由表面三維波形圖和波高等值線（Fr＝0.173 6）Fig.10 The mesh distribution of ship calculation domain

圖10給出了船體周?chē)杂梢好嫒S波形圖和波高等值線。通過(guò)興波凱爾文角大小及橫波寬度可以看出，在相同航速下，低速時(shí)：上翹型大球艏比埋首型和普通型小球艏興起的波浪稍大些。同時(shí)計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)同一條船橫向比較時(shí)，隨著航速的增加艏艉部的興波越來(lái)越明顯，并且有船舶首肩波波峰后移的現(xiàn)象。

4.5 尾流場(chǎng)分析

取Fr＝0.231 5時(shí)船舶的尾流場(chǎng)為分析對(duì)象，數(shù)值模擬船舶的自由表面波形和尾流場(chǎng)波形見(jiàn)圖11和12所示。

圖11 船尾波高分布圖Fig.11 Distribution of RCSM－Ⅱwake wave Contours

圖12 尾流場(chǎng)分布Fig.12 Distribution of wake flow

由圖11可以看出RCSM－Ⅲ船尾產(chǎn)生的興波明顯比RCSM－Ⅰ、RCSM－Ⅱ產(chǎn)生的興波大；從圖12可以看出RCSM－Ⅱ和RCSM－Ⅲ的方形艉部出現(xiàn)了明顯的“虛長(zhǎng)度”［13］，而且計(jì)算結(jié)果顯示隨著航速的增加“虛長(zhǎng)度”加長(zhǎng)，這就相當(dāng)于在船體濕表面積不變的情況下增加了設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)，對(duì)阻力而言在摩擦阻力不增大的情況下減小了剩余阻力。對(duì)于中低速船舶尾部興波阻力的貢獻(xiàn)并不是很大，黏壓阻力和摩擦阻力占主要地位，RCSM－Ⅱ船型的尾部濕表面積比RCSM－Ⅰ、RCSM－Ⅲ濕面積小，形狀較規(guī)則，所以形狀效應(yīng)小，因而RCSM－Ⅱ的黏壓阻力和摩擦阻力也相對(duì)較小。

5 結(jié)論

該文采用CFD技術(shù)分析了球鼻艏及尾部線型對(duì)船體阻力性能的影響，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

（1）CFD方法在計(jì)算船體阻力時(shí)考慮了黏性影響，由計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比較認(rèn)為CFD技術(shù)對(duì)考慮自由液面的船體阻力進(jìn)行預(yù)報(bào)可得出比較合理的結(jié)果。

（2）從而以阻力性能方面考慮，對(duì)于低速豐滿型（Fr＜0.22）船舶選用普通型球鼻艏以及中高速（Fr＞0.22）船舶采用上翹型球鼻艏均可以獲取較好地減阻效果。同時(shí)對(duì)同一條船橫向比較時(shí)，隨著航速的增加艏艉部的興波越來(lái)越明顯，并且有船舶艏肩波波峰后移的現(xiàn)象。

（3）從計(jì)算所得的3種不同尾部船型阻力值比較可以看出，模擬計(jì)算值要比試驗(yàn)值小，且RCSM－Ⅱ的方形尾的阻力值明顯低于RCSM－Ⅰ和RCSM－Ⅲ船型阻力值。同時(shí)可以看出RCSM－Ⅱ和RCSM－Ⅲ的方形艉部出現(xiàn)了明顯的“虛長(zhǎng)度”，而且計(jì)算結(jié)果顯示隨著航速的增加“虛長(zhǎng)度”加長(zhǎng)。

由本文的研究可以看出采用CFD技術(shù)輔助船型設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，是一種提高研究開(kāi)發(fā)效率的實(shí)用途徑，有著重要的工程實(shí)用價(jià)值。但作者論文中對(duì)球鼻艏和尾部線型是分開(kāi)研究的，接下來(lái)將系統(tǒng)地進(jìn)行二者組合的船型設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的研究。

［1］ 陳霞萍，陳昌運(yùn).基于CFD與EFD的船體線型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［C］∥.《船舶力學(xué)》創(chuàng)刊十周年紀(jì)念學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，無(wú)錫：［s.l.］，2007：243－250.

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Influence on the Ship Resistance Performance of the Lines Optimization of the Bow and Stern

WANG Chao1，2，HE Miao2，WANG Wei2，XIONG Ying1，HUANG Sheng2
（1.College of Naval Architecture and Marine Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to improve the performance of the original hull resistance，with the hull resistance as optimal object，the effect of varying bulbous stem and mold lines of stern to hull resistance was studied based on the modifying parent ship method.The highly integrated Tribon system，the visual mapping software Auto CAD and the current CFD pre－treatment software ICEM were used in the establishment of the hull model.The rationality and validity of the CFD technology used in the research of resistance performance was validated through the comparison of the results of simulation and experiment.Considered from the resistance performance aspect，the low speed plentiful ships selecting the popular type bulbous bow and the medium and high speed ships selecting the goes up bulbous bow may obtain the good effect of drag reduction through the comparison of the resistance of the ships with different kind of bulbous bow.Meanwhile，by comparing hull resistance of various mold lines stern under different speed show that the optimal ship hull featuring lower resistance and the minimum power consumption at the same speed，whose shape effect is smaller，the pressure resistance and friction resistance are relatively smaller than others through the effect of stern line on the hull resistance under different velocities.

bulbous stem；resistance performance；froude number；computational fluid dynamics（CFD）；numerical simulation

U661

A

1672－5174（2012）04－075－07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（10702016）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（HEUCFT1001）資助

2011－04－28；

2011－10－15

王 超（1982－），男，講師。E－mail：zhitao0213＠sina.com

責(zé)任編輯 陳呈超