雙體船干擾阻力計(jì)算研究

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(1．哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2．中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；3.廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250)

雙體船作為新型船舶的一種，其發(fā)展倍受人們關(guān)注。較之普通單體船，其具有更寬大的甲板面積、艙容和更好的船舶特性。例如其穩(wěn)性明顯優(yōu)于單體船，且具有承受較大風(fēng)浪的能力；具有良好的操縱性，而且阻力峰不明顯、裝載量大等[1]。如何既兼顧雙體船上述的優(yōu)良特性又具有較小的阻力而獲得較好的快速性是雙體船研究的重中之重。雙體船的阻力除單個(gè)片體自身艏艉波系之間的興波干擾外，雙體船的兩個(gè)片體之間的波系干擾導(dǎo)致復(fù)雜的興波波形。片體間的興波干擾主要是散波干擾，因而其阻力特性比單體船要復(fù)雜得多[2-4]。合理地估算干擾阻力、選取最佳的片體間距、適當(dāng)?shù)卣{(diào)整船體尺度、型線曲率，對(duì)船舶阻力性能計(jì)算乃至實(shí)船設(shè)計(jì)具有重要意義。

針對(duì)雙體船片體間距對(duì)阻力性能的影響，采用雷諾時(shí)均N-S方程法，使用成熟的CFD方法進(jìn)行研究分析[5]，輔助方法為薄船理論、二維半理論和相似圖譜分析法等[6-7]。對(duì)船舶興波阻力的計(jì)算與預(yù)報(bào)，可以作為優(yōu)化船型提高性能等研究的重要前提和合理地選擇雙體間距的參考。

1 物理模型簡(jiǎn)介

為使計(jì)算簡(jiǎn)單化，現(xiàn)將實(shí)船物理模型簡(jiǎn)化如下：①船體只作一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，即直航；②船體運(yùn)動(dòng)時(shí)保持設(shè)計(jì)吃水不變，這樣該問題就可以簡(jiǎn)化為船體的繞流問題，來流方向平行于船體的長軸方向，并通過相似理論將船?？s小100倍。

物理模型見圖1，片體：長34 000 mm、寬3 400 mm、型深1 700 mm、吃水900 mm；外域：136 000 mm×36 000 mm×12 000 mm；片體中心距是不斷調(diào)整的。其中外域的寬度也要隨著間距大小的調(diào)整逐漸擴(kuò)大。

圖1 物理模型示意

模擬兩組數(shù)據(jù)如下,且各航速下船體阻力-間距曲線見圖2、3。

圖2 低航速時(shí)船體阻力-間距曲線

圖3 高航速船體阻力-間距曲線

由圖2、3可見，在低速條件下，阻力呈波浪式下降，并且有多組數(shù)據(jù)的總阻力值低于兩個(gè)片體無窮遠(yuǎn)處的阻力，可以得出在低速時(shí)有波系干擾有利的情況出現(xiàn)，這時(shí)的雙體船的阻力將小于兩個(gè)單片體阻力加和；而高速條件下大致趨勢(shì)是下降的，卻沒有出現(xiàn)低于兩個(gè)單片體阻力加和的情況。還有，值得注意的是片體干擾是在高航速下，片體間的水動(dòng)力干擾有減弱的趨勢(shì)，水動(dòng)力對(duì)片體間距的變化不如低航速時(shí)敏感。

2 間距細(xì)化

在低航速下，為了找到最佳間距位置，選擇間距變化區(qū)間為8 600～9 000 mm，該區(qū)間有利干擾最明顯，每次調(diào)整間距為100 mm，測(cè)量阻力結(jié)果見圖4。

圖4 二次細(xì)化間距-阻力示意

由圖表可見，在Fr=0.306時(shí)，間距在8 900 mm處得到最佳位置，對(duì)應(yīng)K/L=0.261，體現(xiàn)為最有利干擾。

3 圖譜分析

在眾多圖譜中選擇分析，間距3 500 mm干擾阻力較大處，以及間距8 600 mm干擾阻力體現(xiàn)為有利干擾處的各項(xiàng)計(jì)算圖示進(jìn)行對(duì)比，見圖5～9。

由圖5～9可見，①從船體表面來看，3 500 mm的水線略高且波動(dòng)較大，這一點(diǎn)是因?yàn)榕d波與反彈波相互影響，作用較大；②從壓力圖上來看，間距小的壓力明顯大于間距大的；③從自由面分布來看，間距小的兩個(gè)片體艏艉的波系重合明顯，而間距大的片體艏艉的波系幾乎是不相干的，只有船身之間有一定的干擾。這樣也是形成有利干擾的條件之一；④從速度流線來看，因?yàn)榻o定的來流一樣，所以差異不大。

圖5 壓強(qiáng)分布示意

圖6 自由液面船艏的分布示意

圖7 自由液面船艉的分布示意

圖8 船體表面的流線分布示意

圖9 船體表面的速度分布示意

4 調(diào)整航速

這里選取計(jì)算間距為6 200 mm下不同航速的總阻力，見圖10。

圖10 間距6 200 mm下不同F(xiàn)r對(duì)應(yīng)總阻力示意

由圖10可得，在間距一定時(shí)調(diào)整航速測(cè)得阻力系數(shù)隨弗勞德數(shù)的增加而增加，在0.4～0.5有波動(dòng)趨于水平。因?yàn)椋环矫嫫w在自由面附近運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生興波阻力，而興波取決于傅汝德數(shù)，傅汝德數(shù)大，興波大，傅汝德數(shù)小，興波小。

5 理論計(jì)算

關(guān)于雙體船的干擾阻力理論計(jì)算方法很多，例如二維半法、薄船理論、面元法、圖譜分析法等等。綜合考慮：首先，CFD模擬計(jì)算在低航速時(shí)船模浮態(tài)接近正浮，高航速時(shí)船?？v傾較為明顯，因而低航速的阻力預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確，而高航速有一定偏差。這和理論二維半法恰恰是相反；其次，薄船理論和面元法計(jì)算有一定的復(fù)雜性,不適合工程上的快速校核[8,9]。本文選擇準(zhǔn)確簡(jiǎn)單快捷的圖譜分析法，查圖和計(jì)算如下。

興波阻力的計(jì)算包括兩個(gè)部分，一部分為兩片體各自的興波阻力；另一部分為兩片體間波系干擾而產(chǎn)生的附加干擾阻力：

Rb=2Rb0+Rb12=2Rb0(1+Rb12/2Rb0)

(1)

式中:Rb——雙體船興波阻力；

Rb0——雙體船的片體自身興波阻力；

Rb12——雙體船片體之間的興波干擾阻力式中數(shù)值；

(1+Rb12/2Rb0)——干擾系數(shù)。

愛格斯對(duì)這個(gè)問題的研究指出：當(dāng)Fr=0.5時(shí)，在任何間距下干擾系數(shù)均大于1，即無負(fù)干擾。當(dāng)Fr=0.316時(shí)，有最佳間距K/L=0.344，此時(shí)Rb12/2Rb0=-0.27。

查找內(nèi)河船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)(船體分冊(cè))，根據(jù)圖譜直接查出波系干擾的百分?jǐn)?shù)，圖譜是特定Cp=0.645模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于其它船型有不同的菱形系數(shù)，必須經(jīng)過一定的變換，根據(jù)有限的試驗(yàn)資料觀察和分析，認(rèn)為根據(jù)不同的菱形系數(shù)，圖譜中的曲線將近似地平行向左右移動(dòng)，因而提出相當(dāng)弗勞德數(shù)Fr0的概念：

Fr0=Fr+(Cp0-Cp)/2

(2)

式中:Fr——設(shè)計(jì)時(shí)選用的弗勞德數(shù)；

Cp0——試驗(yàn)資料中的菱形系數(shù)0.645；

Cp——設(shè)計(jì)船的菱形系數(shù)0.636。

本文設(shè)計(jì)航速為20 km/h，相應(yīng)為Fr=0.304。

相當(dāng)弗勞德數(shù)為：Fr0=0.309。

理論計(jì)算干擾阻力見圖11，CFD計(jì)算干擾阻力見圖12。

圖11 理論計(jì)算干擾阻力-K/L

圖12 CFD計(jì)算干擾阻力-K/L

由圖11、12可以看出兩種方法計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)基本一致，但是相對(duì)誤差較大，而且CFD軟件計(jì)算值波動(dòng)很大，沒有理論值曲線平滑。誤差可能是由幾方面決定的：①網(wǎng)格質(zhì)量、密度、選用湍流模型離散格式等是否合適，能否達(dá)到要求的精度，所選用的邊界類型及其邊界條件是否能反映真實(shí)流場(chǎng)，有無主要項(xiàng)遺漏，設(shè)定參數(shù)是否合適；②本次計(jì)算過程中，迭代次數(shù)較少，步長不夠等。

航速提高到37 km/h，F(xiàn)r=0.563，F(xiàn)r0= 0.568，超出圖譜校核范圍，經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為不會(huì)出現(xiàn)負(fù)干擾情況，這也是和CFD計(jì)算結(jié)果相吻合之處。

可以看出理論值和軟件計(jì)算結(jié)果基本吻合，有一定的誤差，但總體趨勢(shì)一致，說明間距船長比K/L是衡量雙體船阻力的主要參數(shù)，既考慮了片體間距，又消除了船長對(duì)整個(gè)流線的影響，消除了單位成為一個(gè)相當(dāng)?shù)南禂?shù)。

6 結(jié)論

對(duì)于興波阻力的干擾，主要是中間體內(nèi)艏、艉波的干擾以及艏波反射干擾，因此K/L值直接影響雙體間的波系的干擾。在一定的Fr下有可能找到一個(gè)產(chǎn)生負(fù)干擾的K/L值的范圍，使得總阻力小于2倍片體阻力，但是這樣的K值有時(shí)會(huì)過大，使得強(qiáng)度上難以滿足，有時(shí)難以采用。所以K/L值的選擇在考慮艙室布置符合寬度要求的條件下，使波系干擾不太大即可，此值一般在0.2～0.4之間。

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