基于圓球型球鼻艏構(gòu)型的興波阻力減阻特性分析

張文山，盧曉平

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033

基于圓球型球鼻艏構(gòu)型的興波阻力減阻特性分析

張文山，盧曉平

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033

球鼻艏減阻的機(jī)理至今尚未完全清晰，開展基于圓球型球鼻艏構(gòu)型對興波阻力影響機(jī)理的研究，對揭示球鼻艏的減阻機(jī)理，充分發(fā)揮球鼻艏對水面艦船的消波減阻效果具有基礎(chǔ)性的重要意義。針對DTMB 5415船型，利用CFD計(jì)算軟件STAR-CCM，分析前伸出球鼻艏主要構(gòu)型參數(shù)對興波阻力的影響及其機(jī)制。設(shè)置幾組前伸出球鼻艏，其主要構(gòu)型參數(shù)的前伸量與半徑各異，結(jié)合采用已知試驗(yàn)數(shù)據(jù)和CFD計(jì)算數(shù)據(jù)分析阻力的變化規(guī)律，以及球鼻艏減阻的機(jī)理。結(jié)果表明，在特定的傅汝德數(shù)條件下，球鼻艏縱向位置和半徑對興波阻力的影響較為顯著。

興波阻力；球鼻艏構(gòu)型；DTMB 5415船型；CFD

0 引 言

球鼻艏構(gòu)型優(yōu)化是船舶水動(dòng)力性能優(yōu)化的幾個(gè)重要項(xiàng)目之一，設(shè)計(jì)優(yōu)良的球鼻艏具有較好的減阻效果，進(jìn)而能夠很好地改善船舶運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，由于軍用水面艦船多需要安裝聲吶導(dǎo)流罩，且因?qū)嶋H空間布置的原因而不能安裝具有減阻能力的球鼻艏，故具有減阻效果的球鼻艏多見于民船。而聲吶導(dǎo)流罩一般只根據(jù)聲吶安裝的技術(shù)性能而布置，故并不具有減阻的功能［1-2］。高速水面艦船加裝減阻球鼻艏仍是近年來國內(nèi)外的前沿研究課題。自上世紀(jì)60年代起，球鼻艏減阻研究主要集中在3個(gè)方面：以興波阻力最小為目標(biāo)的球鼻艏構(gòu)型變分法優(yōu)化研究［3-5］；以興波阻力理論結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃法、遺傳算法等多種數(shù)學(xué)優(yōu)化算法的球鼻艏優(yōu)化研究［6］；基于不同構(gòu)型球鼻艏船型的波形測量和波形分析計(jì)算，通過與試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行球鼻艏構(gòu)型減阻設(shè)計(jì)［7］。而球鼻艏構(gòu)型對于阻力影響的機(jī)理實(shí)際上并沒有得到明確的證實(shí)，也很少有針對這方面的深入細(xì)致研究，更未見有采用當(dāng)代船舶CFD數(shù)值模擬新技術(shù)研究水面艦船球鼻艏減阻機(jī)理的文獻(xiàn)發(fā)表。盡管球鼻艏減阻的研究不屬于新的研究領(lǐng)域，但其中存在著大量基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用方面的問題迫切需要研究解決，以適應(yīng)水面艦船節(jié)能減排的時(shí)代特征。

本文擬采用CFD數(shù)值模擬手段，深入開展圓球型球鼻艏構(gòu)型參數(shù)對于水面艦船阻力性能影響和機(jī)理的研究。在研究過程中，充分考慮影響阻力性能的球鼻艏的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，以DTMB 5415作為母型船，設(shè)置幾組具有代表性的改型，通過對比不同構(gòu)型球鼻艏的減阻效果，分析得出圓球型不同球鼻艏參數(shù)對減阻效果的影響。

1 圓球型球鼻艏構(gòu)型分析和球鼻艏船型阻力CFD計(jì)算

1.1 圓球型球鼻艏構(gòu)型分析

為簡化球鼻艏構(gòu)型和CFD計(jì)算建模，并便于阻力特性分析，將本文的研究對象——球鼻艏確定為簡單的幾何體，即圓球。其對阻力特性影響較大的主要幾何參數(shù)和要素為：

1）球鼻艏縱向位置：指圓球型球鼻艏首端與無圓球球鼻艏水線前端之間的水平距離，建模時(shí)，取2%～5%的設(shè)計(jì)水線長。

2）垂向位置：指球鼻艏中心軸線距水線面的垂向距離，在本文的幾組改型中，圓球形球鼻艏的垂線高度選取原則為球鼻艏下邊緣與船體底部延長線相切。

3）球鼻艏半徑：指形成球鼻艏的圓球或球冠半徑，球鼻艏與主船體相互分離時(shí)，取為圓球半徑，如圖1所示；球鼻艏與主船體貫穿連接時(shí)取為端部半球或球冠半徑，如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型DTMB 5415的01改型方案圖示Fig.1 The remodelment 01 scheme of calculation model DTMB 5415

圖2 計(jì)算模型DTMB 5415的11改型方案圖示Fig.2 The remodelment 11 scheme of calculation model DTMB 5415

4）球鼻艏與主船體的連接方式：為探討球鼻艏減阻的機(jī)理，在采用CFD軟件STAR-CCM對球鼻艏進(jìn)行建模和阻力計(jì)算時(shí)，特設(shè)計(jì)了球鼻艏01改型方案，該方案的球鼻艏與船體無實(shí)際的連接，如圖1所示；而球鼻艏的11改型與船體間則有光順的圓柱貫穿式連接，如圖2所示。在后續(xù)的模型試驗(yàn)過程中，圖1所示的分離式球鼻艏將利用從船艏延伸出的細(xì)桿狀構(gòu)件來固定其位置，要求桿件便于調(diào)節(jié)球鼻艏的位置，且細(xì)桿的強(qiáng)度足以確保在試驗(yàn)測試過程中無形變。

由于加裝減阻球鼻艏使得DTMB 5415原型聲吶導(dǎo)流罩并不能如同原型一樣正常安裝使用，故對DTMB 5415船型艏部進(jìn)行了改型，即去除聲吶導(dǎo)流罩形成基本船型DTMB 5415G，如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型DTMB 5415G型方案圖示Fig.3 The scheme of calculation model DTMB 5415G

在加裝球鼻艏和球鼻艏的改型過程中，排水量會(huì)略有變化，但因變化量很小，在0.5%以下，故在阻力特性分析對比中可忽略不計(jì)；另浸水面積也會(huì)有所增加，變化量小于1%，為消除浸水面積變化的影響，在摩擦阻力和各種阻力計(jì)算中均計(jì)入了這項(xiàng)變化。

如前所述，球鼻艏的形狀為圓球形，有關(guān)其半徑的計(jì)算可參考文獻(xiàn)［7-8］。據(jù)線性興波阻力理論給出的公式確定，在給定縱向位置和浸水深度時(shí)，計(jì)算球鼻艏最佳理論半徑的各公式如式（1）～式（4）所示：

以上式中：θ為波向角；T為船吃水；U為均勻來流速度；M為偶極子強(qiáng)度；α0為主船體水線面進(jìn)流角；L為船長；Δx為球鼻艏縱向伸長量；f為球鼻艏浸水深度。

根據(jù)給定的縱向位置和浸水深度，計(jì)算得出的球鼻艏最佳理論半徑隨傅汝德數(shù)變化的曲線如圖4所示。

圖4 DTMB 5415最佳球鼻艏半徑Fig.4 The best radius of bulbous bow of DTMB 5415

由式（1）～式（5）可見，球鼻艏半徑與球鼻艏前伸量Δx是相關(guān)聯(lián)的，但球鼻艏前伸量Δx對球鼻艏半徑R的計(jì)算結(jié)果影響不大，為分別考察球鼻艏縱向位置和半徑對減阻效果的影響，在計(jì)算分析中將這2個(gè)主要參數(shù)視為了獨(dú)立的輸入變量。而且由于球鼻艏垂向位置對阻力的影響隨航速的變化不如縱向位置對阻力的影響敏感，為使分析結(jié)論更加明確，暫將垂向位置取為確定值。

通過Matlab編程，最終得出理論最佳圓球型球鼻艏半徑如表1所示。表中，最佳半徑大致在0.129 4～0.141 0 m之間，是按巡航速度確定的數(shù)值［9］；球鼻艏前伸量（縱向位置）通過結(jié)合以往的研究結(jié)果、建造工藝和目標(biāo)船型使用特性來確定［5，7，9-10］，為獨(dú)立輸入?yún)?shù)。后文將采用CFD方法計(jì)算分析球鼻艏的減阻效果和機(jī)理，即采用基于表1所示的球鼻艏參數(shù)進(jìn)行。

表1 改型球鼻艏構(gòu)型參數(shù)Table 1 Bulbousbow configuration parameters of remodelments

1.2 阻力CFD計(jì)算和計(jì)算結(jié)果處理

采用粘性流動(dòng)CFD數(shù)值模擬軟件STAR-CCM對基本船型DTMB 5415G，以及加球鼻艏船型DTMB 5415-01和DTMB 5415-11的流場與阻力進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算。

對于基本船型DTMB 5415G和加球鼻艏船型DTMB 5415-11，按照工程應(yīng)用中處理高速水面艦船興波阻力系數(shù)最常用的傅汝德方法［10］，可采用剩余阻力作為興波阻力的表征，即認(rèn)為剩余阻力的主要成分為興波阻力，二者近似相等：

式中：Cw為興波阻力系數(shù)；Cr為剩余阻力系數(shù)。各阻力系數(shù)均采用工程中常用的表達(dá)式定義，即

式中：Rw為興波阻力；Rr為剩余阻力；ν為粘性系數(shù)；ρ為水密度。其中基本船型DTMB 5415G的浸濕面積S按光體計(jì)算，DTMB 5415-11船型則計(jì)入了加裝球鼻艏改型產(chǎn)生的表面積變化。而從物理意義上來說，Cr的主要成分應(yīng)該是壓差阻力Cp，故直接由STAR-CCM軟件按同時(shí)計(jì)入波面影響和粘性影響的壓差阻力確定。

對DTMB 5415-01系列船型，球鼻艏與主船體相互分離，因由圓球流動(dòng)分離產(chǎn)生的尾渦所引起的粘壓阻力（即形狀阻力）量值較大，故直接由STAR-CCM軟件按壓差阻力計(jì)算得出的Cr(≈Cp)的量值會(huì)較Cw顯著偏大，若仍按傅汝德數(shù)假設(shè)，采用Cr表征Cw會(huì)得出不合理的結(jié)果（由Cp數(shù)值計(jì)算結(jié)果與Cw預(yù)估結(jié)果的分析對比可以發(fā)現(xiàn)）。由此，本文提出在求DTMB 5415-01船型的興波時(shí)應(yīng)扣除圓球的粘壓阻力，即

為驗(yàn)證以上方法所得計(jì)算結(jié)果的正確性，按該方法對母型船DTMB 5415的總阻力和剩余阻力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果［12］進(jìn)行了對比，如圖5和圖6所示。其中，圖5所示為對DTMB 5415模型總阻力數(shù)值計(jì)算值與模型試驗(yàn)測試值的比較，圖6所示為剩余阻力結(jié)果的比較。

圖5 DTMB 5415總阻力試驗(yàn)與計(jì)算值的對比Fig.5 Comparison of the total resistance coefficients between experimentvalues and calculated values with DTMB 5415

圖6 DTMB 5415剩余阻力試驗(yàn)與計(jì)算值的對比Fig.6 Comparison of the residual resistance coefficients between experiment values and calculated values with DTMB 5415

由圖5和圖6可以看出，模型總阻力和剩余阻力的理論計(jì)算值與試驗(yàn)值整體趨勢一致，在數(shù)量上偏差較小。其中，總阻力計(jì)算值的最大偏差小于10%，剩余阻力計(jì)算值的最大偏差值小于8%，最大偏差均出現(xiàn)在低速區(qū)，已超出所研究高速排水型方尾水面艦船目標(biāo)船型的實(shí)用航速低速范圍，且在該低速區(qū)艦船的有效功率和主機(jī)能耗均較小，主機(jī)的功率儲(chǔ)備很充分，可見以上量級的偏差在工程實(shí)用允許范圍內(nèi)。另由圖可見，在目標(biāo)船型常用的中、高速區(qū)間，計(jì)算值與試驗(yàn)值的趨勢和數(shù)量符合得更好。綜上所述，說明采用CFD數(shù)值模擬方法和軟件準(zhǔn)確、有效，適于船型的阻力對比研究和對球鼻艏減阻機(jī)理的分析探討。

2 球鼻艏減阻效果分析

由上述方法計(jì)算得出的相關(guān)加球鼻艏船型方案的剩余（興波）阻力系數(shù)曲線如圖7和圖8所示（均表示分離球鼻艏與貫穿球鼻艏船型方案興波阻力的比較狀態(tài)）。圖7與圖8中，2種船型方案的區(qū)別在于2種球鼻艏位置的前伸量不同。

圖7 改型01-05與改型11-05方案的興波阻力系數(shù)對比Fig.7 Comparison of wave-making resistance coefficients between remodelments 01-05&11-05

圖8 改型01-06與改型11-06方案的興波阻力系數(shù)對比Fig.8 Comparison of wave-making resistance coefficients between remodelments 01-06&11-06

由圖7和圖8的對比可見，扣除了分離式圓球鼻艏粘壓阻力（形狀阻力）后的01改型的興波阻力與11改型的興波阻力趨勢相同，兩組曲線對比差異較小。由此可得，在前伸型球鼻艏的設(shè)計(jì)過程中，球鼻艏與船體的光順連接是船舶減阻的重要因素。分離式球鼻艏與貫穿連接式球鼻艏的一個(gè)不同之處在于，對于相同參數(shù)的球鼻艏，貫穿連接式球鼻艏船型的相對進(jìn)流長度要大于分離式球鼻艏船型，而由圖7、圖8中的2組曲線對比可得出，球鼻艏減阻的機(jī)理在于球鼻艏波與船體波這兩者疊加相消了，而非由相對進(jìn)流長度的變化所引起。

為對比球鼻艏半徑與縱向前伸量的不同對減阻效果的影響，采用CFD方法計(jì)算得出了如圖9和圖10所示的阻力曲線。由圖9和圖10，可得出球鼻艏半徑和縱向位置對減阻效果影響的初步規(guī)律，概括如下：

圖9 原型與改型計(jì)算總阻力對比Fig.9 Comparison of the total resistance coefficients between prototype and remodelments

圖10 原型與改型計(jì)算剩余阻力對比Fig.10 Comparison of the residual resistance coefficients between prototype and remodelments

1）對于給定的球鼻艏縱向位置，存在一個(gè)臨界速度值［13］，越過該速度值，球鼻艏船型會(huì)呈現(xiàn)顯著減阻的趨勢。

2）球鼻艏的減阻效果并不適用于全速度區(qū)間。

3）半徑變化對減阻效果亦有較大影響?？偟内厔菔?，在本文所選擇的參數(shù)范圍內(nèi)，減小半徑對減阻效果有利，此時(shí)，減阻的幅度和區(qū)間均顯著增加。因此，在調(diào)節(jié)球鼻艏縱向位置以實(shí)現(xiàn)大幅度減阻之前，應(yīng)先確定減阻效果好的球鼻艏半徑。

3 結(jié) 語

本文在DTMB 5415船型加裝減阻球鼻艏前、后，采用CFD進(jìn)行了仿真模擬和數(shù)值理論計(jì)算，并將計(jì)算所得的阻力值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。首先，將原船型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了CFD計(jì)算的可行性和有效性。其次，在研究過程中采用分離球鼻艏的形式，得出球鼻艏減阻的主要機(jī)理在于球鼻艏興波與船體興波的相互疊加、相互抵消。最后，通過原型與改型的對比，得出球鼻艏構(gòu)型參數(shù)對興波阻力性能的影響，進(jìn)而推及至球鼻艏參數(shù)對減阻效果的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，在不同傅汝德數(shù)Fn條件下，這些改型在艦船中、高速段（Fn=0.36～0.45，對應(yīng)于實(shí)船航速26.1～32.6 kn）能夠?qū)崿F(xiàn)較好的減阻效果。其中興波阻力能夠在Fn=0.45時(shí)最大減小35%，相應(yīng)地，總阻力最大能夠減小25%。

同時(shí)，還嘗試采用基于特定球鼻艏構(gòu)型的CFD方法對興波阻力減阻特性進(jìn)行研究，在高速水面艦船水動(dòng)力性能研究中具有優(yōu)良和廣闊的應(yīng)用前景，為了更直接地驗(yàn)證相關(guān)結(jié)論，今后可增加相應(yīng)的試驗(yàn)。

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Wave-making resistance reduction characteristics based on spherical bow configuration

ZHANG Wenshan，LU Xiaoping
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Nowadays,the mechanism of a bulbous bow on resistance reduction is still ambiguous.By carry?ing out a study of wave-making resistance based on spherical bow configuration,we can reveal the truth of the problem and find out the effect of reducing resistance and suppressing waves of a bulbous bow on a sur?face combat ship.As such,the study is fundamentally meaningful.As to ship type DTMB 5415,CFD soft?ware STAR-CCM was utilized to analyze the effect and mechanism of the bulbous bow's main configuration parameters on wave-making resistance.To this end,several groups of extended bulbous bows with extend?ed reach and various radius parameters were first set up.Next,analyses were carried out of the variation of resistance and the mechanism of the bulbous bow on resistance reduction,which associate with the known experimental data and CFD calculated data.The final results show that,in certain circumstances,the Froude number,vertical position and radius of the bulbous bow have vital and obvious influences on wave-making resistance.

wave-making resistance；bulbous bow configuration；DTMB 5415 ship type；Computational Fluid Dynamics（CFD）

U661.31+1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.004

2016-05-19

2016-12-28 16:01

張文山，男，1991年生，碩士生。研究方向：艦船水動(dòng)力性能研究。E-mail：zwsrn0706@163.com盧曉平（通信作者），男，1957年生，博士，教授。研究方向：艦船水動(dòng)力性能研究。E-mail：luxiaoping100@163.com。

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1601.034.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

張文山，盧曉平.基于圓球型球鼻艏構(gòu)型的興波阻力減阻特性分析［J］.中國艦船研究，2017，12（1）：21-26. ZHANG W S，LU X P.Wave-making resistance reduction characteristics based on spherical bow configuration［J］. Chinese Journal of Ship Research，2017，12（1）：21-26.