GONDOLA型多波束附體對(duì)船舶阻力性能的影響

肖士杰，司冠南，陳建濤，李仁常

(1.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；2.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東 青島 266100；3.青島中烏特種船舶研究設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266000)

多波束測(cè)深系統(tǒng)又稱為條帶測(cè)深系統(tǒng)，它是利用聲波在水下的傳播特性來測(cè)量水深，安裝在船底或附體上的發(fā)射換能器陣向海底發(fā)射超寬聲波束，接收換能器陣接收海底反向散射聲信號(hào)，經(jīng)過模擬/數(shù)字信號(hào)處理形成多個(gè)波束，獲得多個(gè)水深數(shù)據(jù)。多波束測(cè)深系統(tǒng)是當(dāng)今海洋基礎(chǔ)勘探中的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品，是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、水聲技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成，是一種全新的高精度全覆蓋式測(cè)深系統(tǒng)[1-2]。

目前，多數(shù)國內(nèi)外新建綜合海洋科學(xué)考察船都已經(jīng)裝備了多波束測(cè)深系統(tǒng)。它一般布置在船舶中前1/3處或者更為靠前的位置，常用的安裝型式有嵌入型、導(dǎo)流罩型和GONDOLA型等。GONDOLA型多波束安裝型式是指船底伸出掛壁與附體連接，多波束換能器安裝在附體底部。該種安裝型式掛壁高度約為600 mm，換能器距離船底高度約為1 200 mm。船舶在航行中船首產(chǎn)生的氣泡層通過船底與導(dǎo)流罩附體之間的間隙流向船尾，因此對(duì)安裝在導(dǎo)流罩附體里的聲學(xué)換能器影響較小，測(cè)量效果好[3]。

多波束的安裝對(duì)船舶阻力影響較大，GONDOLA型多波束附體使得船舶阻力增加約20%～40%。進(jìn)行帶GONDOLA型多波束附體船舶阻力性能的研究，是做好該類船舶快速性設(shè)計(jì)的前提。

1 船舶阻力研究方法類別

船舶總阻力Rt主要包括興波阻力Rw、黏性阻力Rv、附體阻力Rap及波浪中航行時(shí)的阻力增值Raw，即[4]

Rt=Rw+Rv+Rap+Raw

船舶阻力研究方法有理論計(jì)算分析法、數(shù)值模擬法和模型試驗(yàn)法等。理論計(jì)算分析方法有線性理論、面元法理論及經(jīng)驗(yàn)公式估算等；常用的數(shù)值模擬方法有有限差分法、有限體積法、有限元法、有限分析法等；模型試驗(yàn)法對(duì)于船舶阻力的確定仍然起著決定性的作用，常用來驗(yàn)證其他阻力研究手段的可靠性。

船舶阻力數(shù)值方法在船型優(yōu)選、優(yōu)化中起著重要作用。隨著計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術(shù)發(fā)展及計(jì)算人員經(jīng)驗(yàn)積累，其計(jì)算精度逐漸滿足工程需要，越來越多地應(yīng)用在船舶阻力的確定方面。

2 帶有GONDOLA型多波束附體船舶阻力數(shù)值模擬計(jì)算

船舶阻力數(shù)值模擬是通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件來實(shí)現(xiàn)的。CFD軟件是專門進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算、分析和預(yù)報(bào)的軟件。通過CFD軟件數(shù)值模擬，可以計(jì)算、分析并顯示發(fā)生在流場(chǎng)中的各種現(xiàn)象，得到比模型試驗(yàn)更多的流場(chǎng)信息。在比較短的時(shí)間內(nèi)，CFD軟件可以進(jìn)行水動(dòng)力性能的預(yù)報(bào)，在多目標(biāo)船型優(yōu)選、單目標(biāo)船型優(yōu)化及水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)方面有廣泛的應(yīng)用[5-9]。

本文的計(jì)算原型為綜合科學(xué)考察船。采用縮尺比1∶13，進(jìn)行建立幾何模型、構(gòu)建計(jì)算域、劃分網(wǎng)格、定義邊界條件、設(shè)定求解等模擬計(jì)算操作。

2.1 建立幾何模型

為了研究GONDOLA型多波束附體產(chǎn)生的阻力，分別建立光體船舶模型及帶有多波束附體的船舶模型。同時(shí)，船舶光體、附體及其流場(chǎng)關(guān)于船舶中縱剖面對(duì)稱，僅需建立半體模型即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的模擬計(jì)算。

2.2 構(gòu)建計(jì)算域

船舶在海上航行時(shí)，不受淺水效應(yīng)及壁面效應(yīng)的影響，可以認(rèn)為其處于無界的流場(chǎng)中。所以，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，應(yīng)該將模型置于無限大的計(jì)算域中，以保證數(shù)值模擬與實(shí)際情況的一致性。但是，數(shù)值模擬中設(shè)置無限大的計(jì)算域?qū)嶋H上是做不到的，我們只有根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的特征、船舶模型尺度及計(jì)算精度要求建立適當(dāng)大小的計(jì)算域。同時(shí)，計(jì)算域的外形對(duì)網(wǎng)格類型和網(wǎng)格質(zhì)量有一定的影響，進(jìn)而影響模擬計(jì)算的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度。

本計(jì)算中，選用長(zhǎng)方體計(jì)算域，分上、下兩部分，上部分計(jì)算域的流體為空氣，下部分計(jì)算域的流體為海水。

2.3 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬網(wǎng)格采用重疊網(wǎng)格方法，它將復(fù)雜的流動(dòng)區(qū)域分成幾何邊界比較簡(jiǎn)單的子區(qū)域，各子區(qū)域中的計(jì)算網(wǎng)格獨(dú)立生成，彼此存在著重疊、嵌套或覆蓋關(guān)系，流場(chǎng)信息通過插值在重疊區(qū)域邊界進(jìn)行匹配和耦合。重疊網(wǎng)格既擁有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單、流場(chǎng)計(jì)算精度高、效率高、壁面黏性模擬能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)外形適應(yīng)能力差的缺點(diǎn)[10]。

計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格單元總數(shù)約69萬(半體計(jì)算域)，壁面30≤y+≤50。面網(wǎng)格、體網(wǎng)格分別見圖1、圖2及圖3所示。

圖1 光體模型及表面網(wǎng)格

圖2 光體+多波束附體模型及表面網(wǎng)格

2.4 定義邊界條件

根據(jù)數(shù)據(jù)模擬的具體問題定義邊界條件：入口邊界設(shè)定為空氣/海水速度入口；假定出口邊界不受尾流擾動(dòng)的影響，設(shè)定為壓力出口，壓力分布為靜水/空氣壓力；船舶模型表面設(shè)定為壁面，引入標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；計(jì)算域及船舶模型中縱剖面設(shè)定為對(duì)稱面。選擇均勻流場(chǎng)作為模擬初始條件。船舶模型邊界條件設(shè)置見圖3所示。

圖3 體網(wǎng)格及邊界條件

2.5 求解設(shè)定與計(jì)算

水面船舶自由面繞流問題的數(shù)值模擬中，自由面采用Level-set法，流動(dòng)采用非定常RANS(雷諾平均Navier-Stokes方程)方程模擬，選擇SSTk-ω湍流模型，封閉RANS方程。

進(jìn)行數(shù)模擬計(jì)算至結(jié)果收斂。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

計(jì)算至收斂以后，根據(jù)需要分別提取典型航速下2個(gè)模型的自由面興波圖、表面流線圖等。自由興波圖見圖4、圖5所示，F(xiàn)r為傅汝德數(shù)，表面流線圖見圖6、圖7所示。

圖4 光體模型自由面興波圖(Fr=0.212)

分別提取不同航速下2個(gè)模型的模型阻力數(shù)據(jù)，進(jìn)一步換算為實(shí)船光體阻力數(shù)據(jù)和實(shí)船光體+多波束附體阻力數(shù)據(jù)，見表1所示。以航速Vs為橫軸，阻力Rs為縱軸繪制出船舶阻力曲線圖，見圖8所示。

圖5 光體+多波束模型自由面興波圖(Fr=0.212)

圖6 船體表面流線圖

圖7 多波束表面流線圖

表1 船舶阻力數(shù)據(jù)表

圖8 船舶阻力曲線圖

4 結(jié)束語

介紹了GONDOLA型多波束，并對(duì)船舶光體、船舶光體+多波束附體分別進(jìn)行了阻力性能的數(shù)值模擬計(jì)算。通過模擬計(jì)算，可以得到如下結(jié)論：

1)采用數(shù)值模擬方法可以很好地進(jìn)行船舶流場(chǎng)計(jì)算、分析和預(yù)報(bào)，直觀地顯示發(fā)生在流場(chǎng)中的各種現(xiàn)象，得到比模型試驗(yàn)更多地流場(chǎng)信息。

2)通過數(shù)值模擬計(jì)算，可以方便地進(jìn)行船舶阻力計(jì)算和預(yù)報(bào)，為船舶快速性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3)船舶光體、船舶光體+多波束的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比顯示，不同航速下多波束附體產(chǎn)生阻力增幅不同，該多波束附體產(chǎn)生阻力增幅范圍約為25%～50%。