基于CFD方法的某化學(xué)品船型優(yōu)化及船舶阻力性能數(shù)值預(yù)報(bào)

殷曉俊, 任海奎(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200135)

基于CFD方法的某化學(xué)品船型優(yōu)化及船舶阻力性能數(shù)值預(yù)報(bào)

殷曉俊, 任?？?br/>(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200135)

對快速性技術(shù)指標(biāo)較好的某化學(xué)品船進(jìn)行線型優(yōu)化研究。利用GMS前處理軟件對船體線型進(jìn)行若干變化，利用勢流興波軟件RAPID進(jìn)行快速計(jì)算，得到船體周圍興波及船體表面壓力分布情況，從而選擇較優(yōu)方案。利用商業(yè)軟件STAR-CCM對原型和改型的阻力性能進(jìn)行黏性流體數(shù)值計(jì)算，定量分析改型后船舶阻力的減小量，為模型試驗(yàn)提供參考依據(jù)。模型試驗(yàn)結(jié)果表明,改型船的阻力較原型進(jìn)一步降低，與計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)計(jì)算結(jié)果吻合良好，新匹配的螺旋槳推進(jìn)性能較原型明顯提高。

船型優(yōu)化；計(jì)算流體力學(xué)；模型試驗(yàn)

0 引 言

船體線型優(yōu)化是船舶阻力理論應(yīng)用和其他研究工作中最重要的環(huán)節(jié)之一，在船舶主尺度、排水量和設(shè)計(jì)航速給定的條件下設(shè)計(jì)出阻力更低和推進(jìn)效率更高的船型，是造船工作者的主要研究目標(biāo)。隨著國際船級社協(xié)會(International Association of Classification Societies,IACS)出臺新造船標(biāo)準(zhǔn)，綠色船舶以其節(jié)能、環(huán)保的特性而受到業(yè)界關(guān)注，對現(xiàn)代船型優(yōu)化及新船型開發(fā)越發(fā)重視。早期主要通過系列模型試驗(yàn)獲取較優(yōu)船型，通過比較若干個方案選出阻力性能最好的船型，這種方法不僅會耗費(fèi)大量的勞力和時間，而且有一定的局限性。近年來，隨著計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)理論不斷進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于CFD理論的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為熱點(diǎn)。

用于船舶阻力預(yù)報(bào)及船型優(yōu)化的CFD方法主要有，基于勢流的興波阻力數(shù)值預(yù)報(bào)優(yōu)化方法和基于黏性流場雷諾平均方程(Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS)求解的優(yōu)化方法。目前已有不少應(yīng)用勢流興波方法進(jìn)行船體線型優(yōu)化的案例，國內(nèi)部分科研院所及船廠已在船舶勢流興波數(shù)值方法的研究與應(yīng)用上取得顯著進(jìn)展。隨著黏性流體理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，考慮自由液面的黏流求解已逐漸應(yīng)用到船舶研究與設(shè)計(jì)中，黏流數(shù)值方法不僅可用于船體阻力、自由面及伴流計(jì)算，而且可考慮船、槳、舵及附體之間的相互干擾。近年來，國內(nèi)通過對商業(yè)軟件進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用，在黏流CFD計(jì)算水動力學(xué)問題方面也已取得很好的成效[1]。

1 勢流興波數(shù)值方法

船舶以常速U沿x軸正向運(yùn)動，O-xyz為固定在船上的直角坐標(biāo)系，xy平面與靜水面重合，z軸垂直向上。在O-xyz坐標(biāo)系中流動的為定常勢流，忽略表面張力的影響，水域?yàn)闊o限水深、不可壓縮流體。

根據(jù)以上假定，船舶繞流流場存在速度勢，且滿足以下方程和邊界條件。

1)在流場中滿足Laplace方程，即

φ=0

(1)

2)在自由面上滿足運(yùn)動學(xué)邊界條件和動力學(xué)邊界條件，即

φxζx+φyζy-φz=0,z=ζ(x,y)

(2)

(3)

3)在船體表面滿足不可穿透條件，即

φn=0

(4)

4)在無窮遠(yuǎn)前方滿足輻射條件，即

φ=-Ux

(5)

求解船舶興波問題就是求解上述方程組，難點(diǎn)之一在于自由面邊界條件的非線性。自由面邊界條件(即式(2))是非線性方程，且自由面初始位置不可知。求解該非線性方程的方法通常是在一個已知的基本解的基礎(chǔ)上對自由面邊界條件進(jìn)行線性化處理，然后采用迭代的方式求解。假定此次迭代的結(jié)果是對上次迭代的小擾動，進(jìn)一步對該擾動作線性化處理，并在上一次迭代得到的自由面上滿足邊界條件。

2 黏流CFD方法

2.1 控制方程

基本控制方程包括連續(xù)方程和動量方程。

1)黏性可壓縮流體的連續(xù)方程(質(zhì)量守恒方程)為

(6)

2)動量方程為

(7)

式(6)和式(7)中：ρ為流體密度；p為靜壓力；τij為剪切應(yīng)力；ρfi為i方向重力體積力。

2.2 湍流模型

湍流方程使用兩方程的Realizablek-ε模型，不可壓縮流體的k和ε的輸運(yùn)方程為

(8)

(9)

Realizablek-ε模型有明顯的優(yōu)勢，可保持雷諾應(yīng)力與真實(shí)湍流一致，能更精確地模擬平面與圓形射流的擴(kuò)散速度，同時在計(jì)算旋轉(zhuǎn)流、帶方向壓強(qiáng)梯度的邊界層及分離流等問題中，所得結(jié)果與真實(shí)情況較為符合。

2.3 區(qū)域網(wǎng)格劃分及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

由于船舶左右舷是對稱的，因此計(jì)算時只取船體的一半進(jìn)行建模和計(jì)算。坐標(biāo)原點(diǎn)位于船舶水線面、中縱剖面和艉柱(0站)的交點(diǎn)處。計(jì)算域外邊界，上游沿船首方向延伸1倍船長，下游向船尾方向延伸2倍船長，船側(cè)取1倍船長，底部取2倍船長。z=0以下為水，z=0以上為空氣。分別對船體艏部、艉部、船體周圍、自由液面附近及船體興波進(jìn)行局部加密處理，加密后網(wǎng)格總量約為200萬個,圖1為STAR-CCM計(jì)算船舶阻力計(jì)算域外邊界網(wǎng)格情況，圖2為船體周圍局部網(wǎng)格劃分情況。圖1中,流域右側(cè)為速度入口，左側(cè)為壓力出口，底部和頂部為可滑移壁面條件，兩側(cè)為對稱邊界條件，船體設(shè)為壁面。湍流模型選擇Realizablek-ε模型。原型和改型在數(shù)值計(jì)算過程中采用完全相同的網(wǎng)格劃分策略、物理模型及相關(guān)計(jì)算參數(shù)設(shè)置。

圖1 計(jì)算域外邊界網(wǎng)格劃分情況

圖2 船體周圍局部網(wǎng)格劃分情況

3 船型基本參數(shù)及線型優(yōu)化

研究對象為某快速性指標(biāo)已較好的化學(xué)品船(原型)，表1為該船的基本參數(shù)。此次船型優(yōu)化的限制條件是保持原型的主尺度和排水量不變。該船的設(shè)計(jì)航速對應(yīng)的傅汝德數(shù)Fr為0.168，興波阻力仍占據(jù)一定比例。因此,通過降低船舶興波來降低剩余阻力進(jìn)而減小其總阻力是提高船舶快速性能的主要途徑[2]。

長寬比超過6.0，船寬吃水比約為2.8，在肥大型船內(nèi)比較適中，有利于進(jìn)行船型優(yōu)化，提高其快速性能。

3.1 艏部優(yōu)化

艏部在原型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個體積較大的SV球艏，浸沒在設(shè)計(jì)吃水以下，橫剖面呈梨形，原型與改型球艏特征見表2。若球艏大小與位置設(shè)計(jì)恰當(dāng)，球艏在航行中產(chǎn)生波浪的波谷和艏波的波峰處于相同位置，使合成波高較原來的艏波高有所減小，則球艏的興波對主船體的艏橫波形成有利干擾，使船舶興波阻力得以減小，阻力得以降低。

表1 船舶主尺度

表2 原型與改型球艏特征 %

針對船艏線型，除了球艏的優(yōu)化外，還對平行中體與19站之間的線型進(jìn)行優(yōu)化。一方面減小設(shè)計(jì)吃水附近的水線進(jìn)流角并削瘦肩部，從而減小產(chǎn)生的肩波;另一方面減小各站舭部附近的寬度，改善低壓區(qū)域，同時優(yōu)化艏部橫剖面面積，使船體表面壓力分布變得均勻，降低黏壓阻力[3]。

3.2 艉部優(yōu)化

該船原有主機(jī)額定功率MCR為6 480 kW×136 r/min，現(xiàn)在優(yōu)化線型采用新的MCR為5 180 kW×173 r/min,并帶有減速齒輪箱，減速比為1.957∶1，相當(dāng)于在采用低轉(zhuǎn)速主機(jī)的同時又不增加主機(jī)尺度,因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速主機(jī)需要更大的機(jī)艙布置空間，也不便于艉部線型的優(yōu)化。

對于最佳效率線設(shè)計(jì)的螺旋槳，敞水效率ηo為

ηo=-αEln Bp+βE

(10)

直徑系數(shù)δ為

Ln δ=αDln Bp+βD

(11)

直徑D為

(12)

螺距p為

(13)

由式(10)和 (11)對螺旋槳要素進(jìn)行全微分可得

(14)

由式(14)可知，在確定主機(jī)功率和航速的情況下提高螺旋槳效率ηo,減小轉(zhuǎn)速n或增大VA。增大VA即減小伴流,但伴流的減小同時還會減小船身效率ηH,因此伴流的減小對推進(jìn)效率ηd的變化具有不確定性，在螺旋槳型式已定的情況下，只有通過減小轉(zhuǎn)速n(即增加槳徑)來達(dá)到[4]。

原主機(jī)對應(yīng)的槳徑吃水比偏小，即還有較多吃水余量可利用。因此,在船型優(yōu)化過程中優(yōu)選主機(jī)類型，通過減速齒輪箱減速使新設(shè)計(jì)槳直徑增大，有利于推進(jìn)效率的增加。

改型方案的設(shè)計(jì)槳采用大直徑SKEW型4葉螺旋槳，并對螺旋槳進(jìn)行葉梢卸載設(shè)計(jì)，即改小葉稍處的螺距以確保螺旋槳不會因直徑的增大而產(chǎn)生額外的激振力。針對艉部線型 , 先提升軸高以符合大直徑螺旋槳葉稍與船基線處的安全距離，再抬升0站處的船中縱剖線，以加大槳葉與船體的間隙比，避免船體產(chǎn)生較大振動。在確保船舶機(jī)電設(shè)備布置的情況下調(diào)整1～4站接近舭部處的寬度，使球艉特征更加明顯。這樣可使伴流分布均勻，并有利于改善艉部振動。另外，接近船尾處的縱剖線上抬平緩，既可彌補(bǔ)排水量，也有利于使螺旋槳來流均勻[3]。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

數(shù)值計(jì)算內(nèi)容包括利用勢流興波軟件RAPID對原型和改型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析船體周圍興波、船體表面壓力分布及半寬處縱切波分布情況;然后利用商業(yè)軟件STAR-CCM分別對原型和改型的阻力性能進(jìn)行黏性流體數(shù)值計(jì)算，定量分析改型后船舶阻力的減小量。原型和改型均分別進(jìn)行相應(yīng)的模型試驗(yàn)。

4.1 勢流興波計(jì)算結(jié)果分析

利用勢流軟件RAPID對原型和改型設(shè)計(jì)吃水(Fr=0.168)處的興波進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖3。

由圖3可知:原型方案的艏橫波與艏肩波兩處波系較為明顯，而改型方案的艏橫波與艏肩波疊加后使船體兩側(cè)的波系明顯減小，這得益于球艏優(yōu)化后有益干擾的增加和艏部進(jìn)流角的改善；船體艉橫波、散波、艉肩波及舭部區(qū)域壓力梯度相比原型都有所下降，說明艉部線型優(yōu)化效果明顯。圖4為原型和改型在半寬處縱切波面高度分布圖，橫坐標(biāo)為半寬處縱向不同位置，縱坐標(biāo)為波面高度。由圖4可知，改型方案艏部的首個切面波峰有所下降，同時平行中體到艉部的切面處，波峰波谷之間的擺幅也明顯下降。

圖3 原型與改型波形與壓力分布圖(Fr=0.168)

圖4 半寬處縱切波分布圖

4.2 黏流計(jì)算結(jié)果分析

利用商業(yè)軟件STAR-CCM對原型和改型設(shè)計(jì)吃水(Fr=0.168)處的船模阻力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 原型與改型船模阻力數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知:數(shù)值計(jì)算能很好地模擬船模阻力試驗(yàn)，與試驗(yàn)結(jié)果較為符合，特別是船?？傋枇?，偏差<1%；對比原型與改型的試驗(yàn)結(jié)果也可看出，改型的阻力性能較原型得到較大提高。

圖5和圖6為通過黏流數(shù)值計(jì)算得到的原型和改型(Fr=0.168)的波形圖，與圖3中通過勢流方法得到的原型和改型興波圖相似，說明了2種方法的可靠性。

圖5 原型波形圖

圖6 改型波形圖

為分析優(yōu)化線型后船尾伴流的變化，分別截取原型和改型艉部與舵之間相同位置截面上的伴流場(見圖7和圖8)。從圖7和圖8中可看出，改型艉部伴流較原型整體減小，伴流梯度更加均勻，有利于減小艉部振動。

圖7 原型船艉伴流等值線圖

圖8 改型船艉伴流等值線圖

4.3 模型試驗(yàn)結(jié)果

船舶航速-有效功率圖及阻力自航試驗(yàn)結(jié)果對比見圖9和表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，改型船的剩余阻力系數(shù)在設(shè)計(jì)吃水的設(shè)計(jì)航速(Fr=0.168)下降低約15%，對應(yīng)的有效功率可下降3.6%～4.8%。螺旋槳的推進(jìn)效率因艉部改型與增加槳徑的因素而提高超過11%。值得注意的是，增加齒輪箱會降低軸系效率，但對比螺旋槳推進(jìn)效率的提高則是小量，最終該船的快速性指標(biāo)在同類船型中已達(dá)到一流水平[5]。

圖9 航速-有效功率圖

航速/kn設(shè)計(jì)吃水(改型/原型)/%PeQPC12．0-4．8110．8512．5-4．6011．2913．0-4．1211．5613．5-3．7311．5214．0-3．5911．2614．5-3．5911．05

5 結(jié) 語

通過CFD計(jì)算軟件對原型和改型船的快速性能進(jìn)行定性與定量化計(jì)算，同時對船舶主機(jī)進(jìn)行優(yōu)選，分別對原型和改型船進(jìn)行模型試驗(yàn)對比分析及研究，可得到以下結(jié)論。

1)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)拇w球艏與設(shè)計(jì)吃水處的進(jìn)流角，可有效降低船舶的整體阻力。

2)小型主機(jī)增加減速齒輪箱并調(diào)整艉部線型以滿足槳葉的空間布置后，可設(shè)計(jì)大直徑螺旋槳以獲得更好的推進(jìn)效率，同時避免低轉(zhuǎn)速大型主機(jī)對艉部線型優(yōu)化的限制。

3)CFD軟件可定量計(jì)算船舶阻力等參數(shù)并準(zhǔn)確評估船體伴流場，與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合度良好，其阻力計(jì)算已達(dá)到一定精度，可更好地為模型試驗(yàn)與航速預(yù)報(bào)服務(wù)。

[1] 陳偉民, 陳霞萍. 計(jì)算流體力學(xué)在船舶線型優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),2001,30(1):30-32.

[2] 高玉玲,陳霞萍,柳衛(wèi)樂,等. 超大型液化石油氣船線型優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[C]//2013年船舶水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集.北京:中國造船工程協(xié)會,2013:158-162.

[3] 盛振邦，劉應(yīng)中．船舶原理[M]．上海：上海交通出版社，2003．

[4] 薛安國. 大直徑低轉(zhuǎn)速螺旋槳的收益及其應(yīng)用[J]. 船舶工程, 1984(2)：15-19.

[5] 閆磊, 盧華，陳霞萍. 某大型散貨船船型優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[C]. 南京:船舶水動力力學(xué)學(xué)術(shù)會議,2015.

Hull Form Optimization of a Chemical Tanker and Numerical Prediction of the Resistance Performance with CFD Method

YINXiaojun,RENHaikui
(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

The hull form optimization of a chemical tanker in terms of good speed and resistance performance is presented. The optimal scheme is decided according to the surface pressure distribution around the hull obtained from the calculation with the potential flow wave making software RAPID. Numerical calculations of the viscous fluid resistance performance of the original and the optimized are performed by means of the commercial software STAR-CCM. The calculated resistance reduction is used as the reference basis of model tests. The model test data proved the success of the optimization and the reliability of CFD(Computational Fluid Dynamics) calculation. The propulsion performance of the new matching propeller is significantly improved.

hull form optimization； CFD； model test

2016-09-28

殷曉俊(1982—)，男，上海人，助理研究員，主要從事船舶水動力性能研究。

1674-5949(2016)04-0008-06

U661.31

A