加裝舭龍骨對千噸級深V船型靜水阻力和橫搖運動的影響

傅江妍，陳煒，葛慧曉，陳韜穎

加裝舭龍骨對千噸級深V船型靜水阻力和橫搖運動的影響

傅江妍，陳煒，葛慧曉，陳韜穎

中國艦船研究設(shè)計中心，上海201108

為改善深V船型在低速下的橫搖，以千噸級深V船型為研究對象，研究在其舯部減搖鰭前、后位置加裝舭龍骨對其靜水阻力和橫搖運動的影響。首先，通過數(shù)值模擬計算對深V船型無舭龍骨方案、加裝舭龍骨的各個方案的耐波性進(jìn)行比較，掌握舭龍骨距離折角線不同安裝位置和不同舭龍骨寬度對深V船型橫搖運動的影響。然后，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果考慮工程可實施性，以大舭龍骨寬度、等舭龍骨面積及不同安裝角度設(shè)計這3個舭龍骨方案完成橫搖衰減試驗并優(yōu)選出1個舭龍骨方案。最后，對該優(yōu)選方案開展靜水阻力試驗和不規(guī)則波中的運動響應(yīng)試驗。試驗結(jié)果表明，千噸級深V船型加裝舭龍骨后，其靜水阻力增加量不大于5%，減搖效果達(dá)30%以上。

深V船型；舭龍骨；耐波性；船舶阻力

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引用格式：傅江妍，陳煒，葛慧曉，等.加裝舭龍骨對千噸級深V船型靜水阻力和橫搖運動的影響［J］.中國艦船研究，2015，10（5）：22-26.

FU Jiangyan，CHENWei，GEHuixiao，etal.Effectsofbilge keelon aone-thousand-ton deep-veemonohullwith calm water resistance and rollingmotion［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（5）：22-26.

0　引言

近幾十年來，一批新型高性能船型相繼問世，比較具有代表性的有小水線面雙體船（SWATH）、穿浪雙體船、多體船和深V船等［1］。1971年，瑞士日內(nèi)瓦水動力研究所提出了深V船型的概念［2］，該船型能減小船體底部所受的波浪力，增大船體的縱向運動阻尼，起到減小船的縱搖、升沉和垂向加速度，以及降低砰擊概率和上浪次數(shù)的作用，使得船的耐波性和航向穩(wěn)定性明顯提升，在風(fēng)浪中能保持較高的航速［3-4］。上世紀(jì)90年代后期，國內(nèi)多家單位對深V船型進(jìn)行了深入研究。邵世明等［5-6］研究了橫向斜升角對深V船型靜水阻力的影響，通過模型試驗，對深V船型和圓舭船型的阻力與耐波性能進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)深V船型的靜水阻力性能略有下降，而耐波性能則得到了明顯提升。張建濱［7］開發(fā)了600噸級深V型半潛艏（SSB）船型，在阻力性能基本不變的前提下實現(xiàn)了耐波性的大幅提升。張恒等［8-9］對安裝減搖組合附體的深V復(fù)合船型進(jìn)行了研究，通過選擇合理的附體尺度和良好的水動力布局，在靜水低速阻力性能略有下降的情況下實現(xiàn)了耐波性的極大提升。

深V船型的優(yōu)良縱向運動性能得到了認(rèn)可，但是其在低速下的橫搖卻無明顯改善。

針對這一問題，本文擬開展深V船型加裝舭龍骨的相關(guān)研究工作。本文將以千噸級深V船型為研究對象。首先，通過數(shù)值模擬計算，比較無舭龍骨方案、加裝舭龍骨的各個方案對深V船型耐波性的影響。然后，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果考慮工程可實施性，設(shè)計3個不同的舭龍骨方案，并通過橫搖衰減試驗優(yōu)選出1個舭龍骨方案。最后，將對該優(yōu)選方案開展靜水阻力試驗和不規(guī)則波中的運動響應(yīng)試驗，以測試其阻力增加量和減搖效果。

1　數(shù)值模擬

1.1基本方程與湍流模型

船舶繞流場是高度復(fù)雜的三維流動，這主要是由于船的艏艉形狀復(fù)雜，曲率變化大。湍流模型的選取對數(shù)值計算的精度具有直接影響［10］。本文采用RNG k-ε湍流模型進(jìn)行模擬［11-12］。

直角坐標(biāo)系下，不可壓縮牛頓流體連續(xù)性方程與RANS方程為：

式中：ρ為密度；μ為流體粘性系數(shù)；p為平均壓力；Fi為外力項；ui為時均速度為脈動速度；脈動速度相關(guān)項-ρu′iu′j稱為雷諾應(yīng)力。

本文采用的RNG k-ε模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的改進(jìn)形式，它修正了湍動粘度，考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況，增加了反映主流的時均應(yīng)變率［13］，該模型是一種適合船舶流場計算的湍流模型。其湍流動能方程與耗散率方程詳見文獻(xiàn)［11］。

1.2橫搖阻尼數(shù)值模擬

1.2.1計算模型

本文以某深V船型為研究對象，以舭龍骨距離折角線的位置及其寬度為變量，采用CFD軟件計算不同方案的自由橫搖，通過橫搖角衰減的時歷曲線計算不同方案的橫搖阻尼，為模型試驗加裝舭龍骨方案的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。變量設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1　舭龍骨設(shè)計變量示意圖Fig.1　Sketch of the design variablesof bilge keel

模型建立至設(shè)計水線上一定高度處，其三維模型如圖2所示。

圖2　計算對象三維模型Fig.2　The 3Dmodelof computationalobject

1.2.2計算結(jié)果及分析

以舭龍骨距離折角線的安裝位置為變量的方案如表1所示。計算得到舭龍骨寬度相同、安裝位置不同的各方案的橫搖衰減曲線如圖3所示。

表1　安裝位置距折角線不同距離的舭龍骨方案Tab.1　Bilge keelp rojectsw ith variant positions to knuck le line

圖3　不同安裝位置的橫搖衰減曲線Fig.3　Roll attenuation curvesof differentpositions

由圖3可知，安裝于折角線位置的舭龍骨方案的橫搖衰減最快，距折角線1 000 mm的舭龍骨方案的橫搖衰減基本與原無舭龍骨方案相當(dāng)。

接下來，將折角線安裝位置固定，以舭龍骨寬度為變量進(jìn)行計算。舭龍骨寬度的變化范圍為300～700 mm。計算得到安裝在折角線位置、不同寬度的舭龍骨方案的橫搖衰減曲線如圖4所示。

圖4　不同舭龍骨寬度的橫搖衰減曲線Fig.4　Roll attenuation curves of differentbilge breadth

由圖4可知，加裝舭龍骨后所有方案的橫搖衰減均比原無舭龍骨方案快，而300，325和350 mm這3個方案的橫搖衰減曲線無明顯區(qū)別，說明舭龍骨寬度增加量在50mm以內(nèi)對橫搖衰減曲線的影響不大。而300，500和700mm這3個舭龍骨方案的橫搖衰減有明顯區(qū)別，且隨著舭龍骨寬度的增加，橫搖衰減越來越明顯。

根據(jù)上述結(jié)果可以得知：

1）舭龍骨的安裝位置距離折角線越近，橫搖衰減越快；

2）舭龍骨寬度越寬，橫搖衰減越快。

2　水池模型試驗

2.1模型試驗方案

根據(jù)上述數(shù)值計算結(jié)果，考慮工程可實施性，加裝舭龍骨的橫向安裝位置盡量靠近折角線，在順折角線往下150 mm處，安裝V型雙層腹板空心舭龍骨，舭龍骨橫剖面安裝示意圖如圖5所示。

圖5　舭龍骨橫剖面安裝示意圖Fig.5　Sketch of transversal section ofbilge keel

按不同的舭龍骨寬度、縱向布置位置及安裝角度，設(shè)計了3個舭龍骨方案。首先，進(jìn)行耐波性優(yōu)選模型試驗，試驗內(nèi)容包括各方案的橫搖衰減試驗及規(guī)則波中零速橫浪下的橫搖運動響應(yīng)試驗。然后，再根據(jù)上述試驗結(jié)果優(yōu)選出1個舭龍骨方案，完成靜水阻力試驗及不規(guī)則波中的運動響應(yīng)試驗，以分析其水動力性能。

優(yōu)選模型試驗中的3個舭龍骨方案的主要尺度如表2所示，其中寬度為舭龍骨寬度值，縱向位置為舭龍骨沿船體縱向的安裝位置區(qū)域，角度為舭龍骨與船底外板的夾角。

表2　3個舭龍骨方案的主要尺度Tab.2　M ain characteristicsof 3 bilge keelp rojects

模型試驗在耐波性水池中進(jìn)行，水池主尺度（長×寬×水深）為69 m×46m×4m，在水池相鄰的兩邊布置了三維搖板式造波機(jī)，可模擬規(guī)則波、長峰不規(guī)則波和短峰波。

2.2優(yōu)選試驗

對方案1、方案2和方案3分別進(jìn)行了靜水中橫搖衰減試驗和規(guī)則波中零速橫浪下的橫搖運動響應(yīng)試驗，由于舭龍骨對橫搖的影響主要在低航速段，因此試驗時選取對應(yīng)的實船航速分別為0，6，9，14和18 kn共5個航速。圖6所示是平均橫搖角為8°時各方案橫搖阻尼系數(shù)的比較，圖7所示為橫搖運動響應(yīng)函數(shù)的比較。

圖6　橫搖阻尼系數(shù)Fig.6　Rolldamping coefficients

圖7　橫搖運動響應(yīng)函數(shù)Fig.7　Roll responses

由圖6可知，所有加裝舭龍骨方案的橫搖阻尼系數(shù)和原無舭龍骨方案相比有明顯的增大；在加裝舭龍骨的3個方案中，方案3的橫搖阻尼系數(shù)最大。由圖7可知，在規(guī)則波中零速橫浪下的橫搖運動響應(yīng)試驗中，方案2在零速橫浪下的橫搖運動響應(yīng)幅值略小于方案1，而方案3在零速橫浪下的橫搖運動響應(yīng)幅值明顯小于方案1和方案2。

通過以上分析可知，方案3的減搖效果最優(yōu)，故將方案3作為優(yōu)選方案。

2.3靜水阻力模型試驗

為研究優(yōu)選方案的靜水阻力性能，開展了原無舭龍骨方案和優(yōu)選方案在靜水中的阻力試驗，2個方案各航速下對應(yīng)的有效功率曲線如圖8所示。

由試驗結(jié)果可知，與原無舭龍骨方案相比，優(yōu)選方案的阻力略有增加，對應(yīng)實船設(shè)計航速，優(yōu)選方案的靜水阻力較原無舭龍骨方案增加了約4.3%。

圖8　各航速下的有效功率曲線Fig.8　Variation ofeffective power PEwith respect to calm water speed Vs

2.4不規(guī)則波模型試驗

為研究優(yōu)選方案的耐波性能，開展了原無舭龍骨方案和優(yōu)選方案在不規(guī)則波中的運動響應(yīng)試驗，以分析優(yōu)選方案的耐波性能。

不規(guī)則波波譜采用ITTC雙參數(shù)譜［14］進(jìn)行模擬，其波浪譜密度為

式中：H1/3為有義波高；T01為波浪特征周期；ω為波浪圓頻率。

實船與模型對應(yīng)的有義波高H1/3和波浪特征周期T01如表3所示。

表3　實船有義波高與波浪特征周期組合Tab.3　Significantwave height H1/3and wave period T01for the real ship

在耐波性水池中完成不規(guī)則波的運動響應(yīng)試驗，對應(yīng)實船試驗海況為4級和5級海況，試驗航速為0和14 kn，測量參數(shù)為橫浪下對應(yīng)航速的橫搖、縱搖、垂蕩及艏舯艉的垂向加速度。

表4列出了對應(yīng)各個運動參數(shù)的優(yōu)選方案與原無舭龍骨方案的比值，包含橫搖、縱搖、垂蕩、艏部1站垂向加速度、重心處垂向加速度和艉部19站垂向加速度的運動單幅有義值。

由表4可知，在4級和5級海況所試工況下，與原無舭龍骨方案橫搖運動結(jié)果相比，零速橫浪90°減搖百分比為32.7%～35.6%，14 kn橫浪90o減橫搖百分比為13.9%～24.3%。

表4　對應(yīng)實船的耐波性結(jié)果對比表Tab.4　The contrastive resu ltsof the realship

3　結(jié)論

本文提出的千噸級深V船型加裝舭龍骨方案達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。根據(jù)上述數(shù)值模擬和模型試驗結(jié)果可知：

1）千噸級深V船型舭龍骨的安裝位置距離折角線越近，橫搖衰減越快，舭龍骨寬度越寬，橫搖衰減越快。

2）與原無舭龍骨方案相比，優(yōu)選方案的阻力略有增加，對應(yīng)實船設(shè)計航速，優(yōu)選方案的靜水阻力較原無舭龍骨方案增加了約4.3%。

3）4級和5級海況所試工況下，與原無舭龍骨方案橫搖運動結(jié)果相比，零速橫浪90°減搖百分比為32.7%～35.6%，14 kn橫浪90°減搖百分比為13.9%～24.3%，橫搖運動性能得到了大幅改善。

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［責(zé)任編輯：易基圣］

Effectsof bilge keelon a one-thousand-ton deep-veemonohu llw ith calm water resistance and rollingm otion

FU Jiangyan，CHENWei，GEHuixiao，CHEN Taoying
ShanghaiDivision，China Ship Developmentand Design Center，Shanghai201108，China

Deep-veemonohu ll can offset the wave strength at the bottom of the hu ll，increasing the pitch damping and improving the pitch，surge，and vertical acceleration，reducing the slamming and deck wetness，allofwhich lead to better longitudinal sea-keeping performance.However，the rollatslow speed does notshow any significant improvement.Aiming at the problem，fixing a bilge keelonto themidd le part of the deep-veemonohull could improve the seakeeping performance，especially the roll of the ship in waves.In this paper，a one-thousand-ton deep-veemonohull's hydrodynamic performanceswith different bilge keel projects are numerically simulated，which guides the design of bilge keel projects for model tests.Then，three actual projects are designed for model test，whose results of seakeeping model tests reveal that the best project has a resistance performance increment less than 5%，and the seakeeping performance，especially the roll of the ship，has a 30%improvement.

deep-veemonohull；bilge keel；seakeeping；ship resistance

U661.32

ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.004

2015-05-20網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-10-8 11∶13

傅江妍（通信作者），女，1980年生，碩士，高級工程師。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計。E-mail：701sh@701sh.com

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1113.032.htm l