基于Fluent的船體界面阻力分析

熊一超，袁成清（武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 可靠性工程研究所，湖北 武漢 430063）

基于Fluent的船體界面阻力分析

熊一超，袁成清（武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 可靠性工程研究所，湖北 武漢 430063）

基于 Fluent 對船體界面阻力進行仿真分析，采用 VOF 的方法模擬船體在空氣和水兩相中的運動情況，獲得不同航速下船體摩擦阻力和壓差阻力的關(guān)系。考慮方型系數(shù)對于船體阻力的影響，建立多個方型系數(shù)不同的模型來實現(xiàn) Fluent 仿真模擬，獲得一定傅汝德數(shù)下船體方形系數(shù)與船體阻力的關(guān)系，得到船舶阻力相對優(yōu)化的船型。該方法通過更加精確的建?？蔀榇w型線減阻提供更多的依據(jù)。

FLUENT；GAMBIT；船舶阻力；方型系數(shù)

0　引　言

船舶的快速性是衡量船舶速度性能的關(guān)鍵性指標(biāo)，也是船舶最重要的性能之一［1-2］。為提高船舶的快速性，除了提高推進效率以外，最重要的就是降低船舶所受流體的阻力。過去的船舶阻力研究主要依賴于船模試驗的方法，但船模的試驗與實船的運動環(huán)境相比差別仍然很大，而且流體的運動規(guī)律復(fù)雜，船模試驗并不能很好地進行船舶阻力優(yōu)化。而船舶阻力優(yōu)化方法是研究船舶阻力問題的關(guān)鍵。借助于 Fluent 的仿真模擬，能夠較為精確的模擬出船體在不同環(huán)境下的運動情況，模擬出船體界面周圍的流體、阻力、壓強等運動細(xì)節(jié)［3-6］。本研究通過船體的型線圖，采用GAMBIT 建模及網(wǎng)格劃分，模擬其在不同航速下的阻力情況，得到一定速度范圍內(nèi)船速與摩擦阻力和壓差阻力的關(guān)系。同時通過若干個方形系數(shù)不同的船體模型，得到傅汝德數(shù)不變時，一定范圍內(nèi)的方形系數(shù)和船體阻力的關(guān)系，為 Fluent 模擬船舶減阻提供一定的參考依據(jù)。

1　計算模型

1.1模型的建立和網(wǎng)格劃分

選取的對象是 1 艘 DWT8900 油船，設(shè)計水線長LW1= 110 m，型寬 B = 18 m，型排水體積 11 388.67 m3，設(shè)計吃水 T = 6.5 m，方形系數(shù)為 0.884 9。在 FLUENT中調(diào)整縮尺比為 1∶1 000。實船與模型的主要數(shù)據(jù)如表1 所示。

采用長方體作為控制域，由于半個船模的長寬高分別為 110 mm，9.05 mm，9 mm，因此本例選擇沿船首方向延長 1 倍船長，沿船尾方向延長 4 倍船長，沿船兩側(cè)延長 1 倍船長，沿船舶垂線上下各延長一半船長，建立了一個長 660 mm、寬 110 mm、高 110 mm 的長方體控制域。坐標(biāo)原點仍然是原船體坐標(biāo)系的原點。船首與流體入口距離 110 mm，船尾與流體出口距離 440 mm。由于船體的設(shè)計水線為 6.5 m，因此該部分區(qū)域在垂直方向上流體的自由液面距離控制體頂部的邊界為 57.5 mm。以自由液面所在的位置創(chuàng)建 1 條線分割入口面，上部分為空氣速度入口，下部分為水速度入口，如圖1 所示。

表1　油船主尺度Tab. 1　Main dimensions of ship

圖1　計算域Fig. 1　Computational domain

船體周圍網(wǎng)格對船體表面分析影響較大，采用從線網(wǎng)格到面網(wǎng)格再到體網(wǎng)格的順序［10-11］。其中面網(wǎng)格劃分情況如圖2 所示。

圖2　船體局部面網(wǎng)格Fig. 2　Local surface meshes on the hull

1.2邊界條件的設(shè)定

在定義求解器時候選擇 unsteady 非穩(wěn)態(tài)求解，選定多相流模型 Volume of Fluid，湍流模型選取 kepsilon-RNG。設(shè)定出口邊界條件為 outflow 自由出口，首先定義的是空氣速度入口，在混合相 Mixture 中定義空氣入口 air-inlet 為速度入口 velocity-inlet，設(shè)在 Phase相中選擇 water，在 multiphase 中選定 Volume Fraction 為 0，并確保空氣域中水的比例為 0。之后定義水的速度入口，在混合相 Mixture 中定義水入口 water-inlet 為速度入口 velocity-inlet。在 Phase 相中選擇 water，在multiphase 中選定 Volume Fraction 為 1，并確保水域中水的比例為 1，不存在空氣。定義對稱面為symmetry，其余邊界默認(rèn)為 wall。設(shè)定時間步長為0.001，總步數(shù)為 1 000，每個時間步內(nèi)最大的迭代次數(shù)為 10，在剛開始的時候選擇較小的時間步長迭代一定次數(shù)，當(dāng)殘差不是太大的時候再擴大時間步，這樣既保證計算收斂，又可縮短計算時間，提高計算效率［7］。通過計算后處理得到的船體氣液兩相分布如圖3 所示。

圖3　船體氣液兩相分布圖Fig. 3　Hull gas-liquid two-phase distribution

2　計算結(jié)果分析

2.1船體在不同航速下的 Fluent 分析

依然選擇 DWT8900 油船作為計算對象，計算選取船模航速為 1.0 m/s，2.0 m/s，2.5 m/s，5 m/s，繼續(xù)采用相同的網(wǎng)格計算船?？傋枇?，在 Fluent-Report-Force中得到摩擦阻力和壓差阻力，如表2 所示。

表2　船體不同航速下阻力情況分析Tab. 2　Analysis of different resistance at lower hull speed

由表2 格可見，隨著船速的增加，基本阻力非線性增大，且當(dāng)船速較低時，基本阻力增大較為緩慢，船速較高時，基本阻力顯著增大。通過摩擦阻力的占比可知，船速較低時，摩擦阻力占基本阻力的絕大部分，隨著船速的提高，則壓差阻力占的百分?jǐn)?shù)將越來越大。表明船速較高時興波阻力顯著增大，使得壓差阻力的占總阻力的占比顯著增大。因此，在船舶減阻過程中，在低速時主要應(yīng)該降低摩擦阻力；在高速時主要應(yīng)該降低興波阻力。

2.2基于 Fluent 分析船體形狀對于阻力的影響

以 1 艘船長 L = 124 m、型寬 B = 17.6 m，型深 D = 10.9 m，型吃水 d = 5.5 m 的 1 艘 7 500 t 的海洋客貨船為例，僅考慮其方形系數(shù)對于阻力的影響，根據(jù)方形系數(shù)公式，在控制 L，B，d 不變的情況下在 Gambit 建立 3 個船體肥瘦程度不同的船體，即通過 Gambit 建模改變船體水下表面肥瘦程度來改變船體的排水體積，從而得到 3 個方形系數(shù)不同的船體模型，具體數(shù)值如表3 所示。

表3　三種船型的主尺度Tab. 3　Main scales of three different ship styles

為更加直接的體現(xiàn)方形系數(shù)和船體阻力的關(guān)系，引入單位排水量總阻力的概念，即探討方形系數(shù) Cb與單位排水量摩擦阻力單位排水量壓差阻力的關(guān)系，如表4 所示。

表4　方形系數(shù)與單位排水量阻力關(guān)系Tab. 4　The relationship of block coefficient and unit displacement resistance

從表4 中可看出，當(dāng)流體速度在 2.5 m/s、方形系數(shù)在 5.517 2～0.607 6 范圍內(nèi)時，隨著方形系數(shù)的增大，船體單位排水量的摩擦阻力和單位排水量的壓差阻力均呈非線性增大；當(dāng)方形系數(shù)由 0.517 27 增長到0.561 23 時，船體的單位排水量摩擦阻力增大 8.57%、單位排水量壓差阻力增大 15.7%；當(dāng)方形系數(shù)由 0.561 23增長到 0.607 60 時，船體的單位排水量摩擦阻力增大4.38%，單位排水量壓差阻力增大 10.39%。這說明了船舶方形系數(shù)對船體摩擦阻力影響較小，但對船體的壓差阻力影響較大。

以上得到了在 v = 2.5 m/s 一定的情況下，即傅汝德數(shù) Fn一定的情況下，一定范圍內(nèi)的方形系數(shù)和船體的阻力的關(guān)系，由于計算時間的原因本文只選擇了 3個船模代表的方形系數(shù)進行分析，若通過更多的船模在 Fluent 里的仿真模擬，可以得到一個阻力最低的最佳方形系數(shù)和一個阻力顯著增加的臨界方形系數(shù)。選擇合適的方形系數(shù)降低船舶阻力還需考慮方形系數(shù)對船體布置的影響，大的方形系數(shù)有利于船體內(nèi)部的艙室布置；小的方形系數(shù)則因過于尖瘦往往會給布置帶來困難。

因此，選擇合適的方形系數(shù)減小阻力，還需要考慮到船舶主尺度的變化帶來的經(jīng)濟性［8］。超過臨界方形系數(shù)時阻力急劇增大會使得主機功率、燃油消耗、燃料開支均增大。選用最佳方形系數(shù)時可使得船體壓差阻力顯著下降。但是由于選擇最佳方形系數(shù)船體過于瘦削，為了保證一定的排水量，船體的主尺度就要增大，船體主尺度的增大又會增加船體的摩擦阻力。因此，應(yīng)根據(jù) Fluent 多次模擬得到的船體最佳方形系數(shù)與船體的經(jīng)濟性綜合考慮才能得到最合適的方形系數(shù)。

3　結(jié)　語

借助 Fluent 分別模擬了不同航速下船模的運動情況，得出了船體在一定條件下的受力情況。通過不同條件下的 Fluent 仿真模擬得到了以下結(jié)論：

1）在一定速度范圍內(nèi)，隨著船速的增加，基本阻力非線性增大，且當(dāng)船速較低時，基本阻力增大較為緩慢，船速較高時，基本阻力顯著增大。船速較低時，摩擦阻力占基本阻力的絕大部分，隨著船速的提高，則壓差阻力占的百分?jǐn)?shù)將越來越大。

2）速度不變即傅汝德數(shù) Fn不變的情況下，在一定方形系數(shù)范圍內(nèi)，隨著方形系數(shù)的增大，船體單位排水量的摩擦阻力和單位排水量的壓差阻力均呈非線性增大。且船舶方形系數(shù)對船體摩擦阻力影響較小，但對船體的壓差阻力影響較大。

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Study of hull interface resistance based on FLUENT

XIONG Yi-chao， YUAN Cheng-qing
（Reliability Engineering Institute， School of Energy and Power Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

Hull interface resistance was calculated by FLUENT simulation analysis.VOF method was used to simulate the hull in two phases of air and water movement， and the relationships of different speed hull friction and residual resistance was studied. Considering the influence of block coefficient on resistance， simulating in fluent by establishing multiple models of different block coefficient， concluded the relationship between resistance and hull block coefficient when the Froude Number of a certain time， get the relatively optimized ship resistance. This method is more accurate modeling which can provide more evidence for the hull lines of drag reduction.

FLUENT；GAMBIT；ship resistance；block coefficient

U661.31+

A

1672-7619（2016）05-0035-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.008

2015-12-23；

2016-02-02

國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金資助項目（51422507）

熊一超（1993-），男，碩士研究生，研究方向為摩擦學(xué)原理。