三體船阻力預(yù)報(bào)與側(cè)體布局的優(yōu)化?

陳飛宇, 余建星, 馬維林, 劉見德, 趙羿羽

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072)

三體船阻力預(yù)報(bào)與側(cè)體布局的優(yōu)化?

陳飛宇, 余建星, 馬維林, 劉見德??, 趙羿羽

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072)

摘要：三體船具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，它優(yōu)良的快速性、耐波性和穩(wěn)性等特點(diǎn)為其應(yīng)用提供了廣闊的前景。側(cè)體布局的設(shè)計(jì)是優(yōu)化其性能的關(guān)鍵，為了探究其對(duì)阻力性能的影響，本文首先在GAMBIT中創(chuàng)建三體船數(shù)值模型，再采用FLUENT軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。與船模試驗(yàn)相比，數(shù)值計(jì)算方法的相對(duì)誤差小于2%，同時(shí)能準(zhǔn)確高效地捕捉到自由液面波形等流場(chǎng)數(shù)據(jù)，為三體船阻力預(yù)報(bào)提供了一種高效可行的方法。在此基礎(chǔ)上改變側(cè)體縱橫偏距，計(jì)算并分析了25種側(cè)體布局方案的興波干擾情況和阻力性能，得到了側(cè)體布置在主體興波波峰中時(shí)阻力較大，布置在主體興波波谷中時(shí)阻力較小的結(jié)論。最后根據(jù)阻力最優(yōu)原則，確定了側(cè)體的最佳布置區(qū)域。不僅揭示了側(cè)體布局對(duì)三體船阻力的影響規(guī)律，還為三體實(shí)船的側(cè)體布局設(shè)計(jì)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：三體船； CFD； 阻力預(yù)報(bào)； 側(cè)體布局優(yōu)化

引用格式：陳飛宇， 余建星， 馬維林, 等. 三體船阻力預(yù)報(bào)與側(cè)體布局的優(yōu)化[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016, 46(5)： 125-131.

CHEN Fei-Yu， YU Jian-Xing， LIU Jian-De, et al. Prediction on resistance of trimaran and side hull optimization[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(5)： 125-131.

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋考察、開發(fā)利用、海運(yùn)、海防等都對(duì)船舶設(shè)計(jì)提出了更高要求。高速三體船作為一種嶄新的船型，受到了廣泛關(guān)注。

國(guó)外對(duì)三體船的研究已經(jīng)持續(xù)了三十幾年，軍用及民用實(shí)船日益增多，各方面研究成果領(lǐng)先于中國(guó)。Suzuki和Larsson等使用三維Rankine面元法對(duì)高速三體船的興波阻力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算[1-2]。Brizzolara等對(duì)圓舭型三體船和主體為折角線型的三體船進(jìn)行了船模試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，對(duì)三體船的剩余阻力進(jìn)行了研究[3]。Javanmardi等通過自行編制的CFD程序計(jì)算并分析了不同側(cè)體位置對(duì)三體船阻力性能和操縱性能的影響[4]。

中國(guó)對(duì)三體船的研究還處于起步階段。閆宏生等人提出了一種可調(diào)長(zhǎng)度高速三體船的概念，并初步分析了不同側(cè)體布局下的興波干擾情況和阻力性能[5]。酈云等對(duì)主體和側(cè)體均為Wigley船型的高速三體船進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究[6]。陳京普等采用改進(jìn)的Dawson方法，開發(fā)了雙/三體船興波阻力數(shù)值預(yù)報(bào)程序，并考慮了方尾的處理[7]。蔡新功等利用Michell薄船理論結(jié)合模型試驗(yàn)對(duì)三體船的側(cè)體布局規(guī)律進(jìn)行了研究[8]。韓開佳等對(duì)新細(xì)長(zhǎng)體理論進(jìn)行改進(jìn)，使之適用于卵型船等多體船型的興波阻力計(jì)算[9]。

目前的阻力研究方法中，船模試驗(yàn)結(jié)果最為可靠，但船模制作耗時(shí)且費(fèi)用較高，改變型線進(jìn)行船型優(yōu)化效率低；理論計(jì)算方法則往往要求對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽對(duì)船模試驗(yàn)三體船型進(jìn)行阻力數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果將與船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證FLUENT軟件在三體船黏性流場(chǎng)數(shù)值模擬方面的可靠性；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)25種側(cè)體布置方案，充分研究側(cè)體布局對(duì)三體船阻力性能的影響，為側(cè)體布局優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1基礎(chǔ)理論

流體流動(dòng)要受物理守恒定律的支配，控制方程就是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述。對(duì)于船舶阻力計(jì)算，由于不考慮熱傳導(dǎo)和熱交換，因此能量守恒方程自動(dòng)成立。下面給出質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律對(duì)應(yīng)的控制方程：

(1)質(zhì)量守恒方程又稱為連續(xù)性方程，任何流動(dòng)問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律，該定律可以表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流場(chǎng)中微元體質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量，由此可導(dǎo)出流體流動(dòng)連續(xù)性方程的積分形式為：

(1)

(2)動(dòng)量守恒方程也稱作運(yùn)動(dòng)方程或N-S方程。象和簡(jiǎn)化，復(fù)雜形體的計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)[10-12]。因此本文動(dòng)量守恒定律也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律，其本質(zhì)是牛頓第二定律。該定律可表述為：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。按照這一定律，可以得出在慣性(非加速)坐標(biāo)系中的動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中：p是靜壓；τij是應(yīng)力張量；ρgi，F(xiàn)i是重力體積力和其它體積力(如離散相相互作用產(chǎn)生的升力)；Fi還可以包括其它模型源項(xiàng)或者用戶自定義源項(xiàng)。

2計(jì)算模型與網(wǎng)格參數(shù)

采用某課題的設(shè)計(jì)船型進(jìn)行計(jì)算，縮尺比取0.1，即采用船模尺度進(jìn)行計(jì)算，船?；緟?shù)如表1所示。其中主體為方尾船型，長(zhǎng)寬比為12.93；側(cè)體左右對(duì)稱，單個(gè)側(cè)體排水量占三體船總排水量的4.47%。

表1　船?；緟?shù)

將船模橫剖面型線導(dǎo)入Gambit創(chuàng)建船體曲面及計(jì)算域，創(chuàng)建的船體模型如圖1所示，圖中a表示側(cè)體船舯與主體船舯的縱向距離，p表示側(cè)體中縱剖面與主體中縱剖面的橫向距離。

考慮到模型左右對(duì)稱，取一半模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算域入口距主體艏部0.5倍船長(zhǎng)，出口距主體艉部2.5倍船長(zhǎng)；船寬方向取1倍船長(zhǎng)。計(jì)算域根據(jù)設(shè)計(jì)水線面分為空氣和水2部分，空氣層高度取4倍吃水，水深取6倍吃水。

圖1　船體模型

在Gambit中分塊劃分流場(chǎng)，以便采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散空間計(jì)算域。為了準(zhǔn)確捕捉自由液面波形，在船體表面附近及設(shè)計(jì)水線面附近加密流場(chǎng)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2　流場(chǎng)網(wǎng)格

邊界條件：空氣入口和水入口均設(shè)為速度入口；出口為自由出流；對(duì)稱面采用對(duì)稱邊界條件；船體表面采用無(wú)滑移壁面條件，其余采用滑移壁面邊界條件；采用VOF模擬自由液面；采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算摩擦力。

3阻力預(yù)報(bào)方法驗(yàn)證

采用上述三體船模型及參數(shù)對(duì)以下4個(gè)三體船側(cè)體布局方案進(jìn)行數(shù)值模擬，航速取4.88m/s，F(xiàn)r=0.677，相當(dāng)于實(shí)船航速30 kn。

方案1：a=13.25m，p=7.38m；

方案2：a=13.25m，p=9.02m；

方案3：a=14.84m，p=7.38m；

方案4：a=14.84m，p=9.02m。

計(jì)算收斂后，打印阻力報(bào)告，得到各方案三體船的靜水阻力如表2所示。由于數(shù)值計(jì)算以主體中縱剖面為對(duì)稱面，只取一半模型進(jìn)行模擬，因此三體船總阻力為數(shù)值計(jì)算結(jié)果的2倍。表中還列出了船模試驗(yàn)相同航速下的阻力數(shù)值，同時(shí)計(jì)算出數(shù)值計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差?？梢钥吹綌?shù)值模擬結(jié)果的精度很高，相對(duì)誤差最大值僅為1.65%。

表2　數(shù)值計(jì)算結(jié)果及船模試驗(yàn)結(jié)果

圖3為方案3三體船自由液面波形，圖中Y表示自由液面高度。與圖4方案3船模試驗(yàn)波形對(duì)比可以看到數(shù)值計(jì)算得到的波形規(guī)則平整、逼真。我們知道三體船的阻力性能在很大程度上取決于側(cè)體的位置，合理布置主側(cè)體的相對(duì)位置，能夠充分獲取片體間的有利興波干擾，使興波阻力得到最大程度的減小。而興波阻力是由船體興波引起的壓力分布的改變所產(chǎn)生的，因此準(zhǔn)確模擬三體船自由液面波形是三體船阻力預(yù)報(bào)的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖3　方案3波形圖

圖4　方案3船模試驗(yàn)波形圖

根據(jù)上述阻力及波形對(duì)比結(jié)果，可以知道FLUENT軟件在三體船阻力數(shù)值預(yù)報(bào)中具有一定的可靠性，能夠較為準(zhǔn)確的計(jì)算出三體船阻力，并捕捉到三體船自由液面波形等流場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以作為三體船側(cè)體布局優(yōu)化的一種工具。

4側(cè)體布局優(yōu)化研究

下面對(duì)設(shè)計(jì)船型進(jìn)行側(cè)體布局優(yōu)化分析，以30 kn航速(Fr=0.677)下的總阻力為優(yōu)化目標(biāo)。為充分研究側(cè)體布局對(duì)三體船阻力性能的影響，分別設(shè)計(jì)了5個(gè)縱向偏距和5個(gè)橫向偏距，a/L=0～0.5，間隔為0.125，p/B=1～5，間隔為1，即a=0、6.625、13.25、19.875、26.5，p=4.1、8.2、12.3、16.4、20.5m，其中L和B分別為主體的設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)和設(shè)計(jì)水線寬。每個(gè)橫向偏距對(duì)應(yīng)5種縱向布局，因此共有25種方案。

為了更好地研究高速三體船主側(cè)體間的興波干擾規(guī)律，本文還對(duì)三體船主、側(cè)體單獨(dú)進(jìn)行數(shù)值模擬，以便和三體船進(jìn)行對(duì)比。模型的網(wǎng)格密度、參數(shù)設(shè)定等與之前的算例相同。

計(jì)算收斂后，輸出各方案的自由液面波形圖，限于篇幅，下面給出部分波形圖(見圖5)。

圖5　自由液面波形圖

分析以上自由面波形圖，可以看出：

(1) 三體船首興波波峰的高度及位置與主體波形沒有明顯差異，舯部以前的波形也基本相同。這是因?yàn)槿w船舯部以前的波形主要由主體產(chǎn)生，且側(cè)體布置在主體側(cè)后方，因此側(cè)體布局的變化對(duì)其影響不大。

(2) 在p=4.1m的5個(gè)方案中，側(cè)體布局縱向變化對(duì)主體舯部以后的水線產(chǎn)生了明顯的影響；但當(dāng)p≥8.2m時(shí)，側(cè)體布局變化對(duì)主體的水線影響不大，但仍會(huì)對(duì)主體側(cè)后方波形產(chǎn)生較大影響。

(3) 當(dāng)側(cè)體處于主體首興波的波峰中時(shí)，側(cè)體艏部?jī)?nèi)側(cè)水線急劇升高，甚至可以觀測(cè)到飛濺現(xiàn)象；當(dāng)側(cè)體處于主體側(cè)后方的波谷中時(shí)，側(cè)體周圍的自由液面高度一般較小。

(4) 總體上，側(cè)體內(nèi)側(cè)自由液面高度高于外側(cè)；側(cè)體遠(yuǎn)離主體時(shí)，側(cè)體整體水線較低。

根據(jù)各方案計(jì)算得到的阻力數(shù)據(jù)，繪制主側(cè)體興波阻力、黏性阻力、總阻力曲線及三體船總阻力等值線，如圖6～11所示。

圖6　主體興波阻力曲線

圖7　主體粘性阻力曲線

分析上述阻力曲線，可以看出：

(1)p=4.1m時(shí)，受側(cè)體布局影響，主體阻力變化很大；p=8.2m時(shí)，側(cè)體布局對(duì)主體的影響明顯減弱；p≥12.3m時(shí)，主體阻力基本保持不變；這與圖5中的波形是一致的。對(duì)比圖6和7可以發(fā)現(xiàn)，主體黏性阻力與興波阻力受側(cè)體布局影響的程度差異很大，主體黏性阻力與興波阻力最大值與最小值之差分別為2.4 N和33.2 N，因此側(cè)體布局對(duì)主體阻力的影響主要體現(xiàn)在興波阻力上。

圖8　主體總阻力曲線

圖9　側(cè)體興波阻力曲線

圖10　側(cè)體粘性阻力曲線

(2) 側(cè)體布局變化時(shí)，側(cè)體黏性阻力與興波阻力均受到較大影響。總體上看，側(cè)體遠(yuǎn)離主體時(shí)，主側(cè)體間興波干擾減弱，側(cè)體阻力變化幅度也相應(yīng)減小。將阻力曲線與圖5的波形圖相結(jié)合進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在側(cè)體橫向位置p相同的情況下，側(cè)體處于主體興波的波峰中時(shí)，其阻力也處于峰值。

圖11　側(cè)體總阻力曲線

圖12　三體船總阻力等值線

5結(jié)論

根據(jù)上述研究，可以得到以下結(jié)論：

(1) FLUENT軟件在三體船阻力數(shù)值預(yù)報(bào)中具有一定的可靠性，能夠較為準(zhǔn)確的計(jì)算出三體船阻力，并捕捉到三體船自由液面波形等流場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以作為三體船側(cè)體布局優(yōu)化的工具；

(2) 側(cè)體布局對(duì)主體阻力的影響主要體現(xiàn)在興波阻力上，且僅當(dāng)側(cè)體橫向位置p/B<2時(shí)有較大影響；

(3) 側(cè)體布局變化時(shí)，側(cè)體黏性阻力與興波阻力均受到較大影響。側(cè)體縱向位置不變，橫向遠(yuǎn)離主體時(shí)，主側(cè)體間興波干擾減弱，側(cè)體阻力變化幅度也相應(yīng)減??；側(cè)體橫向位置不變，則當(dāng)側(cè)體布置于主體興波的波峰中時(shí)，側(cè)體阻力最大，布置于主體興波的波谷中時(shí)，側(cè)體阻力最??；

(4) 僅考慮阻力最優(yōu)，則三體船側(cè)體的最佳布置位置為0.25≤a/L≤0.5，1≤p/B≤2的區(qū)域。

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責(zé)任編輯陳呈超

Prediction on Resistance of Trimaran and Side Hull Optimization

CHEN Fei-Yu, YU Jian-Xing, MA Wei-Lin, LIU Jian-De, ZHAO Yi-Yu

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract:Trimaran has a series of outstanding merits, its excellent performance of speediness, sea-keeping and stability have made it a wide application. Although the trimaran, a new type of hull form with excellent performance, has received more and more attention, problems still exist in studying its hull form and the arrangement of side hulls is the key factor to optimize its performance. Here, viscous computational fluid dynamics (CFD) technology was applied to research resistance performance of a trimaran. In order to explore the impact on the performance of resistance, the numerical trimaran model was designed first in GAMBIT, then conduct numerical calculation in FLUENT software, while taking free surfaces and flow viscosity into consideration. To validate the simulation results, conduct ship model test to calculate the resistances of the target trimaran with different layouts. And convert the experiment results to the practice ship by the two-dimensional and ‘1+k’ resistance calculation method, then compare the experiment results with the simulation results. Compared with model test results, the relative error of numerical resistance results is less than 2%, at the same time the information of the flow field was accurately captured, such as the waveform of the free surface, proves the reliability of FLUENT in predicting trimaran resistance. Then the wave-making interference and resistance performance for 25 different side hull configurations were computed and analyzed. The results show that the total resistance is higher when the side hulls are arranged in the peak of main hull wave and smaller when arranged in wave trough. In conclusion, the best area for side hull arrangement is signed out based on the principle of total resistance optimization. Not only reveals the influence rules of side hulls arrangement on trimaran resistances, but also offers a new method for the design of trimaran side hulls arrangement. At the same time, an apparent discrepancy in calculated and test results at high Froude numbers shows that the application or the code itself should be improved.

Key words:Trimaran; CFD; resistance prediction; side hull optimization

基金項(xiàng)目：? 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB046803)；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目(51021004)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51239008)；海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué))開放課題項(xiàng)目(課題編號(hào)1201)資助

收稿日期：2014-06-20；

修訂日期：2015-01-15

作者簡(jiǎn)介：陳飛宇(1987-)，男，博士生，主要研究方向?yàn)榇傲黧w力學(xué)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析與優(yōu)化等。 ??通訊作者：E-mail：thisismrliu@163.com

中圖法分類號(hào)：U674.951

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)05-125-07

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140236

Supported by the Major State Basic Research Development Program of China,(2014CB046803)；Project supported by the Foundation for Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China (51021004)；Project supported by the State Key Program of National Natural Science of China(51239008)；Project supported by the State Key Laboratory of Ocean Engineering (Shanghai Jiao Tong University)