某內(nèi)河船型線變化對阻力和自航性能的影響分析

(必維船級社(中國)有限公司 先進技術(shù)研究中心，上海 200011)

船型優(yōu)化過程中，多數(shù)研究是將船體阻力作為優(yōu)化目標，通常采用勢流理論方法快速預(yù)報船體興波阻力，結(jié)合ITTC推薦的摩擦阻力計算方法，進而獲得船體總阻力[1-5]。其優(yōu)點是計算速度快，易與優(yōu)化算法結(jié)合，可自動搜尋最優(yōu)船型。然而，船體尾部型線不僅與阻力性能相關(guān)，還與船體的自航性能相關(guān)，僅以阻力為優(yōu)化目標，將會忽視船型變化對自航性能的影響[6]。對自航性能進行預(yù)報，通常是進行物理水池船模自航試驗，也可以利用CFD技術(shù)構(gòu)建數(shù)值水池，開展自航模擬。通常有兩種方法模擬螺旋槳與船體之間的相互作用：①直接模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)②采用制動盤方法；通過在螺旋槳盤面處加入體積力，模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)形成的流場。模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)評估船舶自航性能，計算成本很高，很難應(yīng)用于船型優(yōu)化過程。而采用制動盤方進行自航模擬，即可保證自航性能預(yù)報結(jié)果精度，又可以提高計算效率。為此，利用三維船體參數(shù)化建模軟件OptNAV進行船型變化，在基于RANSE-VOF求解器 ISIS-CFD構(gòu)建的數(shù)值水池中，開展船體拖曳阻力和自航虛擬實驗，對型線變化前后的船體阻力和自航性能進行預(yù)報。對比分析船體艏艉型線變化對阻力和自航性能的影響，為船體型線設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)值計算方法

(1)

采用有限體積法(FVM)對流體輸運方程進行空間離散。通過求解動量守恒方程獲得速度場，再通過求解由連續(xù)性方法或質(zhì)量守恒條件轉(zhuǎn)換成的壓力方程獲得壓力場。

求解氣液兩相流動問題時，采用VOF方處理自由液面[9]。引入流體體積分數(shù)α。α=1表示計算網(wǎng)格單元完全被水占據(jù)；α=0表示網(wǎng)格單元完全被空氣占據(jù)；0<α<1則表示該計算網(wǎng)格單元含有水和空氣的交界面。

ISIS-CFD求解器是針對船舶海洋工程水動力問題的專用求解器，經(jīng)過了大量標準問題求解驗證，廣泛應(yīng)用于船舶工程的實際項目，可以高精度預(yù)報船體水動力性能，模擬研究復(fù)雜流體流動問題。DTMB5415船模(5.72 m長)CFD數(shù)值計算結(jié)果與水池試驗結(jié)果的對比見圖1。

圖1 數(shù)值水池與物理水池阻力結(jié)果對比

由圖1可見，兩者吻合的很好，預(yù)報精度滿足實際工程應(yīng)用的需要。

基于ISIS-CFD求解器構(gòu)建三維數(shù)值水池，開展阻力和自航數(shù)值試驗。在自航數(shù)值試驗中，采用致動盤方法[10]模擬螺旋槳與船體之間的相互作用。對比船體阻力計算結(jié)果和自航計算結(jié)果，并結(jié)合螺旋槳敞水性能數(shù)據(jù)進行后處理，從而推導(dǎo)出推進系數(shù)(推力減額系數(shù)(1-t)、伴流系數(shù)(1-w)、螺旋槳效率ηp、船身效率ηh)，進一步計算得到船體收到功率PD。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 初始船型性能預(yù)報

某內(nèi)河船船長140 m，吃水6.0 m，計算航速為10.0 kn，在水深H=9.0 m的淺水航道航行。

采用長方體計算域建立數(shù)值水池模型?？紤]到船體直航時流場的對稱性，采用半船模型。計算域長為6倍船長，寬2倍船長，底部邊界距離水面9 m，頂部邊界距離水面1倍船長。船體位于計算算域中部，船艏距離右側(cè)入口邊界2倍船長。

計算域右側(cè)入口、側(cè)面和頂部邊界均為速度入口邊界條件，左側(cè)為出口邊界條件，底部為可滑動移壁面條件，船體表面為不可滑移壁面條件，船體中縱剖面所在邊界設(shè)置為對稱面。

采用HEXPRESS軟件進行網(wǎng)格劃分，計算網(wǎng)格數(shù)量約320萬。為精確模擬淺水水底邊界對船體的影響，如船體吸底坐沉等[11-12]，船體和水底邊界之間區(qū)域需要進行網(wǎng)格加密。此外，螺旋槳槳盤面區(qū)域也進行了網(wǎng)格加密，見圖2。

圖2 計算網(wǎng)格

考慮船體縱搖和垂蕩2個自由度運動。船體由靜止逐漸加速至目標航速，當船體阻力曲線穩(wěn)定后，獲取數(shù)值試驗結(jié)果，見表1。

表1 初始船型阻力和自航性能結(jié)果

采用制動盤法進行自航模擬計算得到的速度場見圖3。船體興波高度見圖4。

圖3 速度云圖(縱向剖面Y=5.0 m)

圖4 船體興波高度云圖

由圖3可以看到，在船艉螺旋槳位置后方，有明顯的螺旋槳推水形成的高流速區(qū)。此外，船體底部和水底之間的水流相對速度在船體航速的1.1倍以上，相對較高的流速導(dǎo)致船體有明顯的坐沉現(xiàn)象。結(jié)果顯示，船體沉降值可達到0.4 m，要比在深水環(huán)境中的沉降值大很多。

2.2 船體參數(shù)化變形

采用三維參數(shù)化建模軟件OptNav對初始船型進行型線變化，生成新船型。

對給定船型進行艏、艉變形，見圖5。橫剖面線視圖和水線視圖見圖6。型線變化主要是改變艉和平行中體過度區(qū)的型線，使局部區(qū)域變寬或變窄。

圖5 艏型線變形

圖6 艉型線變化

2.3 型線變化的影響分析

對初始船型艏艉分別進行4種不同幅值的變形，并在數(shù)值水池中進行阻力和自航性能預(yù)報。通過與初始船型進行比較，分析參數(shù)化變形對船體水動力性能的影響。采用OptNav軟件可以將初始船型的計算網(wǎng)格自動應(yīng)用到變形后的船型上，確保生成相同的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格節(jié)點布置。

對于艏變形，考慮到變形區(qū)域距離艉螺旋槳距離足夠遠，認為艏變形對自航性能沒有影響，只分析船型變化對阻力的影響。對于艉變形，則需要同時考慮船型變化對阻力和自航性能的影響。

艏變形幅值范圍為[-25，30]，在此范圍內(nèi)，船體阻力變化與幅值的關(guān)系見圖7。

圖7 與艏橫剖面變形對應(yīng)的阻力相對變化

變形幅值0對應(yīng)初始船型。變形幅值為負值表示艏底部變胖，水線上部變瘦，排水體積下移。 與初始船型相比，阻力可降低；如當變形幅值為-25時，船體阻力可降低1.6%。相反，變形幅值為正值，表示船艏底部變瘦，上部變胖，對應(yīng)阻力增大，如當變形幅值為30時，船體阻力將增加4.0%。

對比艏部變形前后的興波高度變化見圖8。

圖8 船體興波自由面高度云圖

由圖8可見，變形幅值-25對于的船體艏部興波較初始船型行波有明顯變化，有利于降低興波阻力。

對比艏部變形前后的船體表面壓力系數(shù)變化見圖9。變形幅值-25對應(yīng)的艏高壓區(qū)范圍明顯減小。

圖9 船艏表面動壓力系數(shù)云圖

艉變形幅值為[-30，30]，不同變形幅值對應(yīng)船型的阻力和自航性能參數(shù)見表2。與初始船型相比，阻力和收到功率變化見圖10。結(jié)果顯示，當變形幅值為15時，阻力較初始船型降低了1%，但收到功率PD僅降低了0.3%。這主要是由于艉變形改變了艉伴流系數(shù)和推力減額系數(shù)，從而減小了船身效率和螺旋槳效率，導(dǎo)致收到功率并沒有阻力收益那么高。

圖10 船艉變形對應(yīng)的阻力和收到功率的相對變化

與初始船型相比較，在給定的變形區(qū)域內(nèi)，船體略變寬些時，有利于降低阻力，如變形幅值15對應(yīng)的船型；而將船體略變窄些時，船身效率和螺旋槳效率會有所改善，如變形幅值-15所對應(yīng)的船型。因此，在對船艉進行優(yōu)化時，僅以最小阻力為優(yōu)化目標是不夠的，更要注意對自航性能的準確預(yù)報。

表2 船艉變形幅值對應(yīng)的阻力和自航性能結(jié)果

由于艉部變形幅度不大，而且變化幅度較大的部分在距離水線面較深的位置，所以對艉部興波影響很小，主要改變變形區(qū)域的壓力分布，見圖11。

圖11 船艉表面壓力場云圖

3 結(jié)論

船體艏艉局部范圍均有進一步優(yōu)化的空間；船艉變形對船體阻力和自航性能的影響并不完全一致；對船艉進行優(yōu)化時，以自航計算獲得收到功率為優(yōu)化目標更為合適。