水下拖帶型港作拖船橡膠護(hù)舷設(shè)計及阻力計算

田國際， 夏秀山

(大連遼南船廠， 遼寧 大連 116025)

0 引 言

2000 HP港作拖船具備正拖、倒拖、傍拖、水下拖帶功能，橡膠護(hù)舷需覆蓋的部位較多，總體尺度、排水量對橡膠護(hù)舷的重量又有嚴(yán)格限制，橡膠護(hù)舷的設(shè)計還須滿足水下拖帶潛艇的適用性，以及使橡膠護(hù)舷的選型、布置達(dá)到船舶穩(wěn)性、阻力和航速的設(shè)計要求。因此，橡膠護(hù)舷的設(shè)計成為本船的設(shè)計難點之一。

1 2000 HP港作拖船簡介

本文的2000 HP港作拖船(見圖1)為鋼質(zhì)全焊接橫骨架式結(jié)構(gòu)，設(shè)有單層底(局部為雙層底)、單甲板、三層甲板室、傾斜型艏柱、圓角型方艉和雙機雙全回轉(zhuǎn)舵槳，可在沿海航區(qū)航行和作業(yè)，具備水下拖帶能力。表1為該船主尺度與總載重量數(shù)據(jù)。

圖1 2000 HP港作拖船三維模型

表1 主尺度與總載重量數(shù)據(jù)

2 橡膠護(hù)舷的布置方案

艏部沿甲板邊線設(shè)置1根圓筒型橡膠護(hù)舷，長度約為11 m；艏柱設(shè)置1根圓筒型橡膠護(hù)舷，長度約為3 m，圓筒型橡膠護(hù)舷規(guī)格為Φ500 mm；舷邊及水線以下間隔設(shè)置D型橡膠護(hù)舷，舷邊D型橡膠護(hù)舷規(guī)格為400 mm×3 200 mm，水線下D型橡膠護(hù)舷規(guī)格為300 mm×1 500 mm；艏部及艉部兩側(cè)設(shè)置仿輪胎Φ800 mm橡膠護(hù)舷。

圓筒型橡膠護(hù)舷的中空部分用鍍鋅鏈條固定，且每間隔500 mm用鍍鋅鏈條捆扎固定，使圓筒型橡膠護(hù)舷牢固地固定在鋼質(zhì)托架上。鍍鋅鏈條外套橡膠管，圓筒型橡膠護(hù)舷的兩端配橡膠堵頭，D型橡膠護(hù)舷及仿輪胎橡膠護(hù)舷采用不銹鋼螺栓螺母固定在鋼質(zhì)托架上。

圓筒型橡膠護(hù)舷及舷邊D型橡膠護(hù)舷外掛單層飛機輪胎護(hù)舷，飛機輪胎護(hù)舷規(guī)格為Φ1 030 mm×300 mm。飛機輪胎護(hù)舷用鍍鋅鏈條固定在船體外板上，橡膠護(hù)舷布局如圖2所示。

圖2 橡膠護(hù)舷布局

3 橡膠護(hù)舷的設(shè)計

港作拖船橡膠護(hù)舷常規(guī)布置方式一般為沿舷邊一周布置圓筒型橡膠護(hù)舷，外掛輪胎。根據(jù)船型不同，頂推作業(yè)較多的港作拖船常在艏部設(shè)置2層圓筒型橡膠輪胎護(hù)舷。本船與同類型船舶比較，主尺度偏小，載重量較大，橡膠護(hù)舷的總重量嚴(yán)格限制在25 t以內(nèi)，以保證船舶有足夠的重量裕度。本船又具備水下拖帶功能，橡膠護(hù)舷需覆蓋的部位較多，因此如何控制橡膠護(hù)舷重量以滿足船舶整體性能成為橡膠護(hù)舷的設(shè)計難點。

3.1 艏部護(hù)舷

拖船在頂推作業(yè)時，拖船與被拖船接觸的瞬間會產(chǎn)生沖擊，由于拖船首部型線變化較大，拖船的橡膠護(hù)舷與被拖船的接觸面積較小，在一定區(qū)域內(nèi)對橡膠護(hù)舷造成較大的沖擊和壓力。因此，艏部橡膠護(hù)舷應(yīng)產(chǎn)生較小的反力且有較高的吸能效果，避免產(chǎn)生過大的沖擊。

圓筒型橡膠護(hù)舷具有反力低、面壓小、吸能量合理、使用壽命長、安裝維修方便等特點，但其質(zhì)地較硬，用于拖船首部時須外掛輪胎以提高緩沖、吸能效果，減小瞬間碰撞時產(chǎn)生的沖擊。圓筒型橡膠護(hù)舷單位長度重量較大，以規(guī)格為Φ500 mm的圓筒型橡膠護(hù)舷為例，其重量為220 kg/m，如將護(hù)舷底座及安裝附件重量計算在內(nèi)，圓筒型橡膠護(hù)舷安裝后的重量約為360 kg/m。出于對橡膠護(hù)舷重量限制的考慮，本船僅在艏尖艙區(qū)域沿甲板邊線和艏柱設(shè)置規(guī)格為Φ500 mm的圓筒型橡膠護(hù)舷。

3.2 艉部護(hù)舷

傍拖又稱綁拖，為船靠船拖帶，拖船系綁在被拖船中后部的舷邊進(jìn)行拖帶，港內(nèi)拖帶經(jīng)常使用這種拖帶方式。傍拖作業(yè)時，拖船船身與被拖船緊緊貼合，由于水流作用，拖船尾部橡膠護(hù)舷受到較大壓力的擠壓，因此尾部橡膠護(hù)舷應(yīng)具有較硬的質(zhì)地，產(chǎn)生較小的反力。

仿輪胎橡膠護(hù)舷具有質(zhì)地較硬、反力低、吸能合理、安裝方便、重量輕等特點，并排設(shè)置于拖船尾部，滿足艉部護(hù)舷的要求，同時又能夠減輕橡膠護(hù)舷的總重量。

3.3 舷邊護(hù)舷和水線下護(hù)舷

在傍拖或停靠碼頭時，舷邊護(hù)舷在拖船與被拖船或拖船與碼頭之間起到緩沖、吸能的作用。水下拖帶作業(yè)一般指拖帶潛艇，拖帶形式與傍拖類似，潛艇艇身結(jié)構(gòu)特殊，維修保養(yǎng)費用昂貴，因此舷邊橡膠護(hù)舷和水線下橡膠護(hù)舷應(yīng)具有反力適中、吸能量高、覆蓋面積廣等特點。

D型橡膠護(hù)舷具有反力適中、吸能量較圓筒型高、安裝方便、重量輕等特點，但是其底部安裝尺寸較小、質(zhì)地較軟、容易變形損壞。用于舷邊護(hù)舷時，外掛輪胎以提高緩沖、吸能效果，并對D型橡膠護(hù)舷起到保護(hù)作用，延長D型橡膠護(hù)舷的使用壽命。用于水線下護(hù)舷時，外掛輪胎合理分布于船體外表面，達(dá)到很好的防護(hù)效果。D型橡膠護(hù)舷重量輕，明顯減輕了橡膠護(hù)舷的總重量。

橡膠護(hù)舷的安裝形式如圖3～圖5所示。

圖3 圓筒型Φ500 mm橡膠護(hù)舷

圖4 仿輪胎Φ800 mm橡膠護(hù)舷

圖5 D型300 mm×1 500 mm橡膠護(hù)舷

3.4 水線下護(hù)舷的校核計算

具備水下拖帶功能是本船區(qū)別于常規(guī)拖船的重要特點之一。水線下護(hù)舷的設(shè)計充分考慮了潛艇的主尺度和外型特征，模擬拖帶潛艇的作業(yè)狀況，并對水線下護(hù)舷進(jìn)行校核計算。

本文中的拖船為港作拖船，在港內(nèi)作業(yè)時，假定潛艇不受風(fēng)浪影響，拖船搖擺角度也不會過大，取拖船水下傍拖作業(yè)最大橫搖角θm=8°和水下頂推作業(yè)最大縱搖角φm=1°這2種工況進(jìn)行計算。

3.4.1 水下傍拖作業(yè)的校核計算

水下傍拖作業(yè)示例如圖6所示。

圖6 傍拖某新型潛艇示例

拖船在靜水中橫搖慣性矩的近似計算公式為

(1)

式中：D為船舶排水量；g為重力加速度；B為型寬；Zg為以基線算起的重心高度。

橫搖附加慣性矩為

Jxx=0.25Ixx=844.9×103kg·m2(2)

最大橫搖角速度為

(3)

式中：T0為橫搖周期。

拖船的最大橫搖動能為

(4)

式中：Ix為橫搖慣性矩與附加慣性矩之和，Ix=Ixx+Jxx。

傍拖作業(yè)時，拖船水線下橡膠護(hù)舷至少有3根規(guī)格為300 mm×1 500 mm的D型橡膠護(hù)舷與潛艇接觸并受壓變形。每根橡膠護(hù)舷在50%設(shè)計壓縮變形時的反力約為441.5 kN，吸收能量約為23.7 kJ，3根橡膠護(hù)舷的總反力約為1 324.5 kN，總吸收能量約為71.1 kJ。因此，在拖船8°橫搖時，水線下橡膠護(hù)舷能夠承受橫搖動能的沖擊。

3.4.2 水下頂推作業(yè)校核計算

水下頂推作業(yè)示例如圖7所示。

圖7 頂推某型潛艇示例

拖船在靜水中縱搖慣性矩的近似計算公式為

(5)

式中：Cw為水線面系數(shù)；D為船舶排水量；g為重力加速度；L為船長。

縱搖附加慣性矩為

Jyy=0.25Iyy=15 802.5×103kg·m2(6)

縱搖周期為

(7)

(8)

拖船的最大縱搖動能為

(9)

式中：Iy為橫搖慣性矩與附加慣性矩之和，Iy=Iyy+Jyy。

頂推作業(yè)時，艏柱處Φ500 mm×3 000 mm的圓筒型橡膠護(hù)舷與潛艇接觸并受壓變形。因橡膠護(hù)舷沿艏柱設(shè)置受潛艇艇體擠壓造成曲面受壓變形，按實際變形情況橡膠護(hù)舷的反力約為222.2 kN，吸收能量約為24.2 kJ。因此，在拖船1°縱搖時，艏柱部位的橡膠護(hù)舷能夠承受縱搖動能的沖擊。

3.5 重量、重心影響

兩舷對稱設(shè)置橡膠護(hù)舷對減小重量、重心的影響十分有利。為驗證橡膠護(hù)舷對重量、重心的影響，將橡膠護(hù)舷作為船舶附體，通過Tribon軟件計算裸船體重量重心和增加橡膠護(hù)舷后裸船體重量、重心，比較增加橡膠護(hù)舷前后的變化。

應(yīng)用Tribon軟件計算，裸船體的重心為(13 987，2，2 695)mm，重量為128 926 kg。

應(yīng)用Tribon軟件計算，增加橡膠護(hù)舷后裸船體的重心為(14 295，2，2 858)mm，重量為150 556 kg。

增加橡膠護(hù)舷前后，裸船體重心x方向變化了308 mm，y方向沒有發(fā)生變化，z方向變化了163 mm，重量增加了21 630 kg。

橡膠護(hù)舷按上述方案設(shè)計，總重量約為21.63 t，滿足總體對橡膠護(hù)舷總重量不超過25 t的限制要求，保證船舶有足夠的重量裕度。同時，滿足各作業(yè)工況的使用要求。

通過對增加橡膠護(hù)舷前后裸船體重量、重心變化的比較分析，可以看出橡膠護(hù)舷對裸船體結(jié)構(gòu)部分的重量、重心影響不大。如考慮全船重量、重心(包含上層建筑、設(shè)備、舾裝件等)，本文中橡膠護(hù)舷的設(shè)計對重量、重心的影響非常小。

3.6 減小附體阻力的設(shè)計方法

水線下橡膠護(hù)舷作為船舶附體，大幅增加水線下濕表面積從而對船舶阻力影響較大。附體阻力的主要成分是摩擦阻力和黏壓阻力，設(shè)計時為減小這兩種阻力采用如下方法：

(1) 水線下護(hù)舷沿船體流線方向設(shè)置，其目的是減小由附體所產(chǎn)生的漩渦，從而減小黏壓阻力；

(2) 選用尺寸較小的300 mm×1 500 mm D型橡膠護(hù)舷，減小附體的濕面積，其目的在于減小附體所引起的摩擦阻力；

(3) 將D型橡膠護(hù)舷兩端削斜，這對減小附體阻力有顯著作用；

(4) 在滿足性能要求的前提下，控制水線下護(hù)舷的數(shù)量并均勻分布，以達(dá)到減小附體阻力的目的。

4 水線下濕表面的黏性阻力計算與研究

在水下護(hù)舷方案設(shè)計確定后，結(jié)合總體性能的需求對拖船阻力進(jìn)行估算。阻力估算采用GAMBIT軟件建立拖船模型，采用計算流體力學(xué)軟件Fluent數(shù)值計算船體設(shè)計水線下濕表面在不同航速下的黏性阻力。

4.1 模型建立

4.1.1 船體濕表面

數(shù)值計算時為減少計算網(wǎng)格數(shù)量和保證船體表面邊界層里流動的有效模擬，將實船尺度縮小，模型尺度是實船尺度的十分之一。模型濕表面積Sm=3.545 3 m2，實船濕表面積為S=354.53 m2。圖8為設(shè)計水線下模型船體濕表面示例。

圖8 設(shè)計水線下濕表面示例

4.1.2 數(shù)值計算域

數(shù)值計算水域取船首前1倍船長、船尾后2倍船長，船側(cè)外0.5倍船長，船底下1倍船長，計算域如圖9所示。

圖9 計算域示例

4.1.3 計算域網(wǎng)格劃分

數(shù)值計算首先將計算域離散，即將計算域劃分網(wǎng)格，如圖10所示。

圖10 計算域網(wǎng)格劃分示例

4.2 拖船濕表面黏性阻力數(shù)值計算

應(yīng)用Fluent軟件，求解黏性流體運動微分方程，采用S-A湍流模式，使來流繞過拖船表面(船不動)，設(shè)置計算域的邊界條件，計算收斂的判據(jù)設(shè)置為10-5。

圖11為某個航速下拖船周圍的流線圖。

圖11 某航速下拖船附近流線顯示

圖12給出由數(shù)值計算得到的拖船濕表面黏性阻力系數(shù)曲線，其中黏性阻力包括表面摩擦阻力和黏壓阻力。橫坐標(biāo)為雷諾數(shù)Re，縱坐標(biāo)為黏性阻力系數(shù)Cd，具體數(shù)據(jù)見表2。表2中還給出無護(hù)舷的黏性阻力系數(shù)值，僅供參考。

圖12 拖船黏性阻力曲線

表2 拖船濕表面黏性阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化

實船航行的雷諾數(shù)范圍如表3所示。實船的雷諾數(shù)已經(jīng)達(dá)到黏性阻力曲線的自模區(qū)域，取黏性阻力系數(shù)Cd=0.013 36，用于實船濕表面阻力Rv計算。

表3 實船雷諾數(shù)系數(shù)隨航速的變化

4.3 拖船黏性阻力估算

實船黏性阻力計算公式為

(10)

式中：ρ為水的密度，ρ=998.2 kg/m3。

按以上數(shù)值計算獲得實船黏性阻力值如表4所示。

表4 實船黏性阻力值

4.4 自由航速估算結(jié)果

在得到實船黏性阻力值后，結(jié)合不同航速對應(yīng)的弗汝德數(shù)，實船的興波阻力和空氣阻力按總阻力的百分比估算計入。由拖船總阻力與對應(yīng)航速V的乘積，得到船體的有效功率Pe，并繪出阻力推進(jìn)曲線，再估算螺旋槳的有效功率，并據(jù)此通過計算最終得到拖船的預(yù)估航速Vs不低于11.5 kn。

5 結(jié) 論

本文在水下拖帶沒有明確的規(guī)范要求和計算方法的前提下，通過對拖船在各作業(yè)工況下橡膠護(hù)舷特點的分析，針對2000 HP港作拖船的特殊性，進(jìn)行合理的選型和布置，對水下頂推與傍拖的作業(yè)工況進(jìn)行量化校核計算，并通過水線下濕表面的黏性阻力計算與分析研究，最終核準(zhǔn)水下護(hù)舷的設(shè)計方案不但滿足船舶所有人的使用要求，而且使本船的重量重心、船舶阻力與航速均滿足預(yù)期要求。