減搖鰭與舭龍骨不同組合方式對船舶快速性影響研究

許 輝 陳 立 秦江濤

（中國艦船研究設(shè)計中心1） 武漢 430064） （武漢理工大學交通學院2） 武漢 430063）

0 引 言

為了改善船舶在大風浪中航行時的耐波性能，減小船體的六自由度運動，尤其是橫搖運動，通常在設(shè)計中采取各種主動或被動減搖措施，主要包括設(shè)置舭龍骨、減搖鰭、減搖水艙、減搖舵、以及減搖鰭與減搖水艙聯(lián)合減搖、舵鰭聯(lián)合減搖等［1－3］.其中，舭龍骨和減搖鰭應(yīng)用得較為廣泛，舭龍骨固定安裝在船體舭部，主要通過龍骨板正背面的壓差、以及改變船體表面壓力分布從而增大橫搖阻尼，起到減搖的作用，且舭龍骨的減搖效果不受航速影響；減搖鰭主要通過控制系統(tǒng)的作用不斷改變鰭角從而產(chǎn)生穩(wěn)定力矩來實現(xiàn)減搖，其減搖效果受航速影響，在低速時較差.為了保證船舶在所有航速范圍內(nèi)均具有較明顯的減搖效果，舭龍骨和減搖鰭經(jīng)常被同時裝配在船體上［4－5］.

根據(jù)舭龍骨和減搖鰭布置的相對位置不同，一般有3種組合方式：連續(xù)式舭龍骨配合前后鰭、連續(xù)式舭龍骨配合前鰭、間斷式舭龍骨配合中間鰭.由于舭龍骨、減搖鰭均處在船體邊界層和舭部渦流區(qū)內(nèi)，相互之間必然存在較為復雜的干擾，例如針對連續(xù)式舭龍骨配合前后鰭的組合方式，哈爾濱工程大學［6］曾通過在穩(wěn)定流場中測試不同轉(zhuǎn)鰭角下舭龍骨和后鰭上升力的變化，來分析鰭與舭龍骨之間的水動力干擾.

研究表明，舭龍骨和減搖鰭的阻力一般占裸船體阻力的7%～12%，為了全面了解兩者不同的組合方式下的水動力干擾情況，在改善耐波性的同時盡可能減小船體阻力，本文重點研究了不同的舭龍骨和減搖鰭組合方式對快速性的影響.

1 數(shù)值仿真研究

1.1 數(shù)值仿真模型及前處理

以某船型為例，對圖1所示的方案1（主船體＋連續(xù)式舭龍骨＋前后2對鰭）、方案2（主船體＋連續(xù)式舭龍骨＋前面1對鰭）、方案3（主船體＋間斷式舭龍骨＋中部1對鰭）分別進行粘性流場數(shù)值仿真，其中3個方案的舭龍骨總長相等，寬度相等，減搖效果相當，方案2和方案3的減搖鰭展舷比大于方案1.

數(shù)值計算域為一1／4圓柱體，見圖2.采取分塊混合型網(wǎng)格劃分，共劃分約300萬個計算網(wǎng)格，以方案1為例給出局部網(wǎng)格劃分情況，見圖3.

圖1 數(shù)值仿真計算模型

圖2 數(shù)值仿真計算域

圖3 局部網(wǎng)格劃分圖

1.2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

采用FLUENT軟件進行數(shù)值仿真，考慮到舭龍骨和減搖鰭均安裝在距離水面較深的船體舭部，因此仿真中采用合模處理，忽略興波阻力的影響，重點對粘性阻力進行計算.

1）橫剖面內(nèi)流線對比分析 取圖1中A，B，C3個橫剖面內(nèi)的流線進行對比，見圖4.

圖4 橫剖面內(nèi)流線圖

剖面A為前鰭所在的位置，方案1和方案2由于存在前鰭，在舭部產(chǎn)生了明顯的渦，而方案3由于沒有前鰭，該剖面內(nèi)的舭部流線比較順暢；剖面B為船舯位置，方案1和方案2受前鰭誘導作用產(chǎn)生了舭龍骨渦系，方案3由于鰭的存在產(chǎn)生明顯的渦；剖面C為后鰭所在位置，方案1由于鰭的存在以及舭龍骨渦系的影響，存在明顯的渦，方案2和方案3由于在該部位不存在鰭，因此流線略為順暢.

2）船體表面壓力等值線對比分析 圖5為3個方案的船體表面壓力等值線圖，圖中箭頭所指的部位為舭龍骨的高壓區(qū)，圖中顯示由于舭龍骨和減搖鰭的組合方式不同，3個方案的壓力分布也存在一定的差異.

圖5 船體表面壓力等值線圖

3）粘性阻力計算結(jié)果對比分析 文中對1∶30縮尺比模型進行仿真，得到對應(yīng)實船32kn時的模型粘性阻力結(jié)果見表1.

表1 粘性阻力計算結(jié)果 N

上表顯示，3個方案的船體阻力較為接近，當采用一對減搖鰭時，鰭裝在船體前部比裝在船體舯部的阻力性能好.

2 模型試驗研究

對上述3個方案開展模型試驗，同時考慮到減搖鰭存在固定式和收放式，收放式鰭在靜水中不產(chǎn)生附加阻力，對考核靜水航速的船舶有利.因此將方案1的鰭做固定式考慮，將方案2和方案3的鰭做收放式考慮，在模型試驗中增加了方案2和方案3的鰭不工作，全部收在船體內(nèi)的阻力試驗.將模型試驗結(jié)果換算至實船后結(jié)果見表2.

表2 模型試驗結(jié)果比較

由表2可知，根據(jù)模型試驗結(jié)果方案1、方案2、方案3的總阻力變化規(guī)律與仿真結(jié)果相一致，另外，從定量上分析，在30kn時兩對固定式減搖鰭的阻力約占裸船體阻力2.8%，18kn時兩對固定式減搖鰭的阻力約占裸船體阻力2.5%，即相當于在前部安裝全收放式減搖鰭，當鰭不工作時可達到以上減阻效果，反映到航速上，在前部安裝全收放式減搖鰭比兩對固定式減搖鰭可提高靜水中的最大航速約0.13kn.

3 結(jié) 論

減搖鰭和舭龍骨是船舶附體中的重要減搖裝置，但是通過附體優(yōu)化設(shè)計來提高快速性也是船舶設(shè)計的重點.文中對不同舭龍骨與減搖鰭的布置組合，以及與固定式、收放式減搖鰭的配合，通過數(shù)值仿真和模型試驗分析，得到了與快速性相關(guān)的結(jié)論：

1）采用前后兩對固定式減搖鰭＋連續(xù)式舭龍骨、或前面1對固定式減搖鰭＋連續(xù)式舭龍骨、或舯部1對固定式減搖鰭＋間斷式舭龍骨3種組合方式時，在減搖效果相當?shù)那闆r下阻力性能差異不大，尤其是在高速段時阻力的差異在1%以內(nèi).

2）當采用1對減搖鰭時，前面1對固定式減搖鰭＋連續(xù)式舭龍骨的布置方式比舯部1對固定式減搖鰭＋間斷式舭龍骨的布置方式對阻力性能有利，且前者采用收放式減搖鰭時，在鰭不工作的情況下對提高靜水航速最有利.

3）在前部安裝全收放式減搖鰭，鰭不工作時相對于兩對固定式減搖鰭方案，可提高靜水中的最大航速約0.13kn.

［1］楊 輝，宋金龍.船舶減搖方式介紹及發(fā)展趨勢［J］.江蘇船舶，2007（5）：55－58.

［2］董美華，馬汝建，趙 東.船舶減搖技術(shù)研究進展［J］.濟南大學學報：自然科學版，2008（1）：42－46.

［3］金鴻章，趙為平.大型船舶綜合減搖系統(tǒng)研究［J］.中國造船，2005（2）：88－92.

［4］吳秀恒，施生達.船舶操縱性與耐波性［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［5］XIE Nan，ALOS D V，LEE B S.Prediction of roll hydrodynamics of cylinders fitted with bilge kells with RANS［J］.Journal of Ship Mechanics，2007，11（6）：65－71.

［6］丁 勇，李積德.鰭與舭龍骨的水動力干擾［J］.中國造船，1998（3）：48－53.