撞角球鼻艏形式和參數(shù)變化對阻力影響的研究

黃衛(wèi)剛 姜治芳 邱遼原

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

1 引 言

球鼻艏是船舶設計的重要方面，設計優(yōu)良的球鼻艏具有較好的減阻效果，能有效改善船舶運營的經濟性。在船舶設計領域，常見的球鼻艏形式主要包括水滴形球鼻艏和上翹球鼻艏［1］等。在國內外現(xiàn)有的一些大型艦船上，出于布置需求，安裝有水滴形球鼻艏，但這類球鼻艏的減阻效果不佳，有時反而會使船舶阻力增加［2-3］。高速船加裝新型撞角節(jié)能球鼻艏是近年來國內外的前沿研究課題。這類球鼻艏具有近水面、大前伸的外形特征，既能滿足類似于水滴形球鼻艏的設備布置需求，又具有良好的減阻效果，目前已得到廣泛應用，例如，美海軍的LHA-6兩棲攻擊艦和韓國海軍的“獨島”號兩棲攻擊艦等均是采用撞角球鼻艏。

為確定撞角球鼻艏形式及參數(shù)變化對船舶阻力的影響，研究了球鼻艏形式和參數(shù)變化對阻力的影響。首先針對3個形式各異的球鼻艏型線方案開展了CFD計算和模型試驗，結果表明，撞角球鼻艏具有較好的減阻效果。然后設計了8個主要參數(shù)各異的撞角球鼻艏型線方案，采用CFD技術分析了撞角球鼻艏的參數(shù)變化對興波阻力的影響，并提出了一些可用于指導球鼻艏設計的結論。

2 球鼻艏形式對阻力影響的分析

2.1 球鼻艏形式分析

本文主要分析水滴形球鼻艏、上翹球鼻艏和撞角球鼻艏這3種球鼻艏形式。

水滴形球鼻艏主要是為了滿足布置需求，其減阻效果并不明顯。水滴形球鼻艏的外形類似于水滴（圖1），其首端與首垂線之間的距離較小，垂向中心的高度與設計吃水間的比值也較小。

上翹球鼻艏是一種能取得較好減阻效果的球鼻艏（圖2），其特點為：

1）球鼻艏首端與首垂線之間的距離大于2%設計水線長；

2）球鼻艏首端存在一定的上翹，首端離水面距離較近；

3）球鼻艏各剖面的垂向中心由首垂線起逐漸升高。

上翹球鼻艏是通過球鼻艏興波與主船體興波之間的相互干擾來減小興波阻力。這種球鼻艏在傅汝德數(shù)Fn較高時的減阻效果比較明顯。

撞角球鼻艏是一種正逐漸得到應用的球鼻艏形式（圖3），不僅能滿足布置需求，還具有明顯的減阻效果。其特點為：

1）球鼻艏首端與首垂線之間的距離大于2%設計水線長；

2）球鼻艏首端的縱剖線和橫剖線均類似于橢圓；

3）球鼻艏垂向中心線平行于基線。

撞角球鼻艏的減阻原理類似于上翹球鼻艏。當Fn較低時，撞角球鼻艏的減阻效果要優(yōu)于上翹球鼻艏；當Fn較高時，撞角球鼻艏的減阻效果則稍劣于上翹球鼻艏。

2.2 球鼻艏形式對阻力影響的分析

2.2.1 不同形式球鼻艏型線方案設計

針對方形系數(shù)接近0.6、設計Fn接近0.3的單體船方案，設計出3套球鼻艏型線方案，如表1所示。

表1 不同形式球鼻艏方案的主要尺度Tab.1 Main dimensions of different bulbous bow schemes

2.2.2 興波阻力計算及結果

興波阻力計算軟件適用于船舶各種水動力特性研究，并給出了波浪模式、壓力分布等船體特征參數(shù)。因這一領域的技術比較成熟［4-7］，故本文將直接采用興波阻力軟件進行數(shù)值計算分析。計算興波阻力主要采用勢流計算法，即采用基于Dawson方法的二階面源法計算勢流，通過迭代法，能很好地滿足自由液面的邊界條件。Dawson方法其實就是在疊模繞流的基礎上，采用慢船條件下的線性化理論。該方法比疊模線性法還要深入一步，在獲得線性解后并沒有結束計算，而是通過迭代不斷重復該過程，直至迭代收斂，就可以得到完全非線性解。

本文采用興波阻力計算軟件計算興波阻力系數(shù)Cw，為使各方案之間的計算結果具備可比性，采取下列措施控制網格劃分對計算產生的影響：

1）流體域計算范圍以及網格設置參數(shù)需保持一致；

2）球鼻艏影響區(qū)域的網格劃分參數(shù)需保持一致。

球鼻艏引起的濕表面積差異小于1%，此時，各方案濕表面積差異對阻力的影響可忽略不計。因此，本文主要比較各方案的興波阻力系數(shù)。4個球鼻艏方案的阻力計算結果如表2所示。

表2 球鼻艏多方案興波阻力計算結果Tab.2 Wave coefficient calculation results of different bulbous bow schemes

在計算中，確定了各方案沿船體表面的興波分布情況，如圖4～圖7所示。

根據表2確定的球鼻艏形式對興波阻力系數(shù)的影響趨勢如圖8所示。

由圖8 可知，當 Fn＝0.27～0.29 時，采用水滴形球鼻艏方案的興波阻力最大，但隨著Fn的增加，水滴形球鼻艏的興波阻力系數(shù)逐漸接近于無球鼻艏方案的興波阻力系數(shù)，這表明當Fn足夠大時，水滴形球鼻艏會具備一定的減阻效果；當Fn＝0.27～0.29 時，無球鼻艏方案的興波阻力系數(shù)介于水滴形球鼻艏、撞角球鼻艏與上翹球鼻艏的興波阻力系數(shù)之間；當 Fn=0.27～0.29 時，采用撞角球鼻艏的方案A和采用上翹球鼻艏的方案B均具有良好的減阻效果。當Fn=0.29時，與無球鼻艏方案相比，撞角球鼻艏的興波阻力系數(shù)約小7%。撞角球鼻艏與上翹球鼻艏的興波阻力系數(shù)的變化趨勢基本一致。

2.3 球鼻艏形式對阻力的驗證性模型試驗

為進一步驗證CFD計算結果的可信度，并確定撞角球鼻艏的減阻效果，開展了球鼻艏形式對阻力的驗證性模型試驗（圖9）。

由圖9可知，當Fn=0.28時，撞角球鼻艏的減阻效果最好，上翹球鼻艏的減阻效果次之，兩者之間的差異不大；當Fn=0.28時，撞角球鼻艏和上翹球鼻艏的剩余阻力系數(shù)比水滴形球鼻艏的剩余阻力系數(shù)約小9%，比無球鼻艏的剩余阻力系數(shù)約小20%。模型試驗結果表明，撞角球鼻艏具有良好的減阻效果。

由圖8、圖9可知，CFD流場計算確定的無球鼻艏方案的興波阻力比水滴形球鼻艏方案的小，模型試驗確定的無球鼻艏方案的剩余阻力比水滴球鼻艏方案的大。出現(xiàn)這種情況的原因是：剩余阻力包括興波阻力和粘壓阻力兩部分，無球鼻艏方案因首尾差異較大而導致粘壓阻力較大，水滴形球鼻艏方案的粘壓阻力又較小，因此在當前Fn（Fn=0.27～0.29）下，粘壓阻力在剩余阻力系數(shù)中所占的比例便較大，此時就會出現(xiàn)興波阻力較小而剩余阻力較大的情況。

3 撞角球鼻艏參數(shù)變化對阻力影響的分析

鑒于撞角球鼻艏具有良好的減阻效果，為進一步掌握球鼻艏參數(shù)變化對阻力的影響，開展了撞角球鼻艏的多方案設計，并用CFD方法進行了計算，初步確定了撞角球鼻艏參數(shù)變化對阻力的影響。

3.1 球鼻艏參數(shù)分析

球鼻艏的幾何特征形狀可以通過以下參數(shù)進行描述：

1）縱向長度比：即球鼻艏最前端至首柱的距離與設計水線長之間的比值；

2）相對浸深：球鼻艏中心或球鼻艏最前點或者最大寬度處距靜水面的距離與吃水之間的比值；

3）寬度比：首柱處球鼻艏最大橫剖面寬度與設計水線寬之間的比值；

4）面積比：首柱處球鼻艏橫剖面面積與最大橫剖面面積的比值；

5）體積比：球鼻艏增加的排水體積與設計排水體積之間的比值。

撞角球鼻艏的縱剖面和橫剖面均類似于橢圓，此時，設計吃水、縱向長度比和寬度比一旦確定，其相對浸深、面積比和體積比也就得以確定。本文主要研究球鼻艏的縱向長度比與寬度比對阻力的影響。

3.2 球鼻艏寬度比對阻力的影響分析

以撞角球鼻艏方案A為基礎，設計4個球鼻艏寬度比變化的方案，各方案的具體參數(shù)如表3所示。

表3 球鼻艏寬度比方案Tab.3 Different ratio of bulbous bow breath and waterline breath for bulbous bow scheme

球鼻艏寬度比的范圍為 5.0%～10.2%，制定該范圍的原因是：

1）球鼻艏的寬度比增加，會出現(xiàn)在拋錨時錨會撞到球鼻艏的情況。因此，從工程實現(xiàn)的可行性角度考慮，球鼻艏寬度比的上限應取10.2%；

2）球鼻艏寬度比的下限取5%，這是因為此時球鼻艏的體積已經很小，球鼻艏的減阻效果會較差。

針對這5個球鼻艏型線方案，開展了CFD計算，其結果如表4、圖10所示。

表4 球鼻艏多方案CFD阻力計算結果Tab.4 The resistance calculation results of different bulbous bow schemes

由表4和圖10可知，球鼻艏寬度比對興波阻力系數(shù)存在著一定的影響，當寬度比為7.4%時，其興波阻力系數(shù)最小；當寬度比為8.4%時，興波阻力系數(shù)最大。當球鼻艏的寬度比變化范圍為5%～10.2%，F(xiàn)n＝0.27～0.29 時，球鼻艏寬度比的變化將導致興波阻力系數(shù)的變化范圍約小于5%。球鼻艏寬度比對興波阻力系數(shù)的影響趨勢不明顯，出現(xiàn)這種情況的原因是，球鼻艏減阻效果在寬度方向存在非線性情況。

3.3 球鼻艏縱向長度比對阻力的影響分析

以撞角球鼻艏方案E為基礎，設計了4套球鼻艏縱向長度比變化的型線方案，各方案的具體參數(shù)如表5所示。

球鼻艏縱向長度比的范圍為2%～5%，確定該范圍的原因為：根據設計經驗，當球鼻艏縱向長度比為2%時，基本沒有減阻效果，因此球鼻艏縱向長度比的下限取2%的設計水線長。球鼻艏若太長，會導致建造成本增加，影響船舶的經濟性，考慮到工程的可行性，球鼻艏縱向長度比的上限取5%的設計水線長。

表5 球鼻艏長度比方案Tab.5 Different ratio of bulbous bow length to waterline length for bulbous bow schemes

針對這5個球鼻艏型線方案，開展了CFD計算，其結果如表6、圖11所示。

表6 球鼻艏多方案CFD阻力計算結果Tab.6 The resistance calculation results of different bulbous bow schemes

由表6及圖11可知，球鼻艏縱向長度比對阻力的影響較明顯，本文研究的主船體方案具有可取得較好減阻效果的最佳縱向長度比。當前方案中減阻效果最好時的縱向長度比為3%。在Fn=0.27～0.29，球鼻艏縱向長度比變化范圍介于 2%～5%之間時，當縱向長度比小于3%時，球鼻艏縱向長度比變化會導致興波阻力系數(shù)的變化范圍約小于7%；當縱向長度比大于3%時，球鼻艏縱向長度比變化會導致興波阻力系數(shù)的變化范圍約小于3%。

4 結 論

本文開展了球鼻艏形式和參數(shù)變化的多方案球鼻艏研究，得到了以下結論：

1）對于方形系數(shù)約為 0.6、 設計Fn接近0.3的常規(guī)單體船方案而言，撞角球鼻艏和上翹形球鼻艏均具有明顯的減阻效果。當Fn=0.28時，撞角球鼻艏的剩余阻力系數(shù)比水滴形球鼻艏的剩余阻力系數(shù)約小9%，比無球鼻艏的剩余阻力系數(shù)約小20%。

2）CFD計算結果表明，撞角球鼻艏的寬度比和縱向長度比均對興波阻力系數(shù)具有一定的影響，并且縱向長度比對興波阻力系數(shù)的影響更明顯。

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