基于CFD的水線面大開口船舶阻力預報

祝啟波 曾江易

摘? ? 要：應(yīng)用FINE/Marine軟件對某水線面大開口船舶阻力進行數(shù)值預報。計算船舶船舯開口開啟和封閉狀態(tài)下的船舶阻力及其運動參數(shù)，通過與模型試驗的比較，探討采用數(shù)值計算方法預報船舶阻力的可靠性;分析其流場變化，研究阻力增加的原因，為后續(xù)類似船舶設(shè)計提供阻力性能參考。結(jié)果表明：數(shù)值預報精度滿足工程應(yīng)用的需要，能夠較好地模擬船舶周圍流場的信息，大開口導致的粘壓阻力變化是引起船舶阻力增值的主要原因。

關(guān)鍵詞：水線面大開口;數(shù)值預報;阻力

中圖分類號：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Resistance Prediction of Ship With Notch Based on CFD

ZHU Qibo， ZENG Jiangyi

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The numerical simulation software FINE/Marine was applied to predict the resistance performance of a ship with a notch. The resistance performance of the ship is simulated under the opening and closing of the notch to calculate the resistance and movement of the ship. The reliability of CFD used in the prediction is verified by comparing the calculation results with model test results. The change of flow field is analyzed， and the reason of the increase of the ship resistance is studied. The results show that the accuracy of the numerical simulation prediction meets the needs of engineering application and properly reflects the real information of surrounding flow filed. The change of the viscous pressure resistance caused by the notch is the main reason for the increase of the ship resistance.

Key words： Notch; Numerical prediction; Resistance

1? ? ?前言

船舶阻力預報對于提高船舶快速性至關(guān)重要，其主要研究方法有三種：理論方法、試驗方法和數(shù)值模擬。其中，數(shù)值模擬能夠模擬船模試驗難以做到的復雜現(xiàn)象、成本更低，通過CFD方法[1-4]進行船舶阻力研究和船型優(yōu)化已越來越成熟。

近年來，為滿足作業(yè)需要，一些船舶會在其船體水線面開設(shè)大型開口，水線面大開口會對船舶的阻力性能產(chǎn)生一定的影響。目前已有部分學者對該方面進行了研究，石珣[5]通過試驗和數(shù)值模擬結(jié)合對比的方法，研究因船體首部開口及尾部開口引起的阻力變化問題，得到了不同開口尺寸、形狀及位置對于阻力變化的影響規(guī)律;潘放[6]等分析不同開口類型對于船體阻力的影響，相比于擁有月池的船，水線面開口對阻力的增加影響更小。

本文以某船舯大開口船舶為研究對象，應(yīng)用Fine-Marine軟件對其阻力進行數(shù)值預報。計算船模在不同航速時的阻力大小，分析其阻力性能，通過與模型試驗結(jié)果的比較，探討CFD數(shù)值預報的可靠性;結(jié)合其流場變化，研究阻力增加的原因，為后續(xù)同類船型的設(shè)計和研制提供幫助。

2? ? ?項目模型及網(wǎng)格劃分

2.1? ?網(wǎng)格模型

本項目為某船舯大開口船舶，模型的縮尺比為1：18，其主尺度如表1所示。為滿足作業(yè)需求，在船舯設(shè)置了一個長×寬×高為8 m x 4 m x 4.2 m 的矩形開口;為研究開口對于船舶阻力的影響，建立了閉口（船舯無開口）及開口（船舯設(shè)大開口）兩個計算模型，如圖1所示。

2.2? ?網(wǎng)格劃分

本文計算區(qū)域出口取模型如下：尾部向后3倍船長;進口取模型首部向前1倍船長;船側(cè)取1倍船長;上方邊界取0.5倍船長;下方邊界取2倍船長。

計算網(wǎng)格采用全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，由FINE/Marine自帶的HEXPRESS生成。網(wǎng)格劃分時對船首尾以及水線面進行適當加密，以得到準確的計算結(jié)果及流場信息;閉口模型及開口模型的網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

2.3? ?求解方法

本文CFD計算采用剪切壓力傳輸（SST）k-ω模型。對于動量方程和湍流方程，采用AVLSMART格式進行離散;對于自由液面運動方程，采用BRICS格式進行求解。

3? ? 計算結(jié)果與分析

3.1? ?網(wǎng)格收斂性驗證

在開始計算之前，先進行網(wǎng)格收斂性驗證。收斂性驗證的三套網(wǎng)格數(shù)量，見表2。在網(wǎng)格收斂性計算中，船體正浮且姿態(tài)固定。對Fr = 0.307下閉口模型的阻力進行計算（見表2），結(jié)果表明：粗網(wǎng)格的結(jié)果與其他兩套差別較大;中等網(wǎng)格和密網(wǎng)格的結(jié)果相近。在后續(xù)計算中，均采用中等網(wǎng)格的配置，以減小計算時間。

3.2? ?數(shù)值模擬結(jié)果

船模阻力計算工況依據(jù)船舶的實際情況進行選取。本船設(shè)計航速為15 kn，選取的航速范圍為12～17 kn，對應(yīng)傅汝德數(shù)Fr=0.254～0.360。根據(jù)選取的工況對船模進行數(shù)值模擬，得到閉口模型和開口模型在不同航速的阻力值，如表3所示。

從表3可以看出：同一航速下開口模型所受到的總阻力高于閉口模型所受到的總阻力;航速越小，其阻力增值幅度越大。在12 kn時，開口模型相較于閉口模型，其阻力增值幅度達到了79.14%;在設(shè)計航速15 kn時，開口模型所受總阻力較閉口模型的增值幅度高達37.85%。

圖3、圖4分別給出了幾個典型工況下，閉口模型及開口模型自由液面波形分布。從圖中可以看出：CFD數(shù)值模擬下，隨航速的增大波形展開非常明顯;航速越大，首波峰處的波高越大，船尾及其后方的波形變化越復雜。

3.3? ?計算結(jié)果比較

船舶在不同航速時，數(shù)值計算值與試驗值的對比，見表4所示。從表4可以看出：閉口模型在設(shè)計航速（Fr=0.317）時，試驗值為27.575 N、數(shù)值計算值為26.345 N，兩者的誤差為4.67%。總的來看，閉口模型試驗結(jié)果要比數(shù)值計算結(jié)果略高，產(chǎn)生這一誤差的原因，可能是實際試驗時閉口模型中部開口區(qū)域并未完全水密，開口內(nèi)存在液面，而數(shù)值仿真時沒有考慮到這一情況;開口模型在設(shè)計航速（Fr=0.317）時，試驗值為39.190 N、數(shù)值計算值為36.317 N，兩者的誤差為7.91%，差值較大。產(chǎn)生這一誤差的原因，可能是實際試驗時開口處的自由液面變化劇烈，波浪不斷飛濺到船模外側(cè)，而數(shù)值仿真中由于計算需要在開口頂部設(shè)置了一道墻壁，波浪會遇到墻壁反射，數(shù)值仿真和實際模型試驗在運動條件上存在一定的差異而產(chǎn)生誤差。總體來說，本文采用的數(shù)值計算方法能夠比較有效的預報水線面大開口船舶的阻力性能。

表4? 模型阻力計算值與試驗值的對比

圖5、圖6分別為閉口模型、開口模型在升沉和縱搖方向上的運動計算值與試驗值的對比。從圖5、圖6可以看出：兩者在升沉方向的變化趨勢基本一致;而縱搖方向計算值與試驗值存在一定的差異，說明開口的存在會影響數(shù)值計算的準確性。

a）升沉方向? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?b）縱搖方向

圖 5? 閉口模型在升沉和縱搖方向上的運動計算值與試驗值的對比

a）升沉方向? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? b）縱搖方向

圖 6? 開口模型在升沉和縱搖方向上的運動計算值與試驗值的對比

3.4? 開口對船舶阻力性能的影響

從上面的計算結(jié)果來看，水線面大開口的存在導致了船體總阻力急劇增大，但閉口模型和開口模型摩擦阻力相差不大，摩擦阻力對船體阻力變化影響較小。

圖7為幾個典型航速下計算域y=0.278 m處沿x方向的波高分布對比圖。從圖7可以看出，開口模型與閉口模型在船首附近的波高基本一致，說明船體中部開口對于船首波系影響不大;而在船尾處，開口模型與閉口模型的波高分布出現(xiàn)了一定的差別，開口結(jié)構(gòu)使得原本船尾后的波峰與波谷有明顯的前移，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是船首橫波在傳播過程中受到了中部開口的影響，從而使得其在船尾部分與船尾橫波混合后組成的橫波也受到影響，產(chǎn)生了上述差異。

對于船舶的興波阻力，其大小與船行波波高平方及波寬成正比關(guān)系。由圖7可以看出：盡管開口模型與閉口模型在尾部的波高分布出現(xiàn)一定差異，但兩者船行波波高及波寬卻相差不大，兩者所受的興波阻力也應(yīng)相差不大。由此可得：船體中部大開口結(jié)構(gòu)對于船舶興波阻力變化影響較小，興波阻力并非是引起船體總阻力急劇增大的主要原因。

圖8為幾個典型航速下開口模型與閉口模型船體表面自由液面分布圖。從圖8中可以看出：開口模型與閉口模型在船中開口以外的區(qū)域自由液面分布基本一致，這進一步驗證了水線面大開口對船舶興波阻力影響不大;開口模型中部開口內(nèi)流體一部分流向船底，一部分則被壁面阻擋反射，自由液面出現(xiàn)了嚴重的界層分離和漩渦，產(chǎn)生較大的粘壓阻力，進而使得船體的剩余阻力增大。因此，大開口導致的粘壓阻力變化是引起船體阻力增值的主要原因。

4? ? 結(jié)論

本文以某船舯大開口船舶為研究對象，應(yīng)用Fine-Marine軟件分別對船舯大開口開啟和封閉狀態(tài)下的船舶阻力及其運動進行數(shù)值預報。對于閉口模型，預報結(jié)果與試驗值的誤差最大為4.71%;對于開口模型，預報結(jié)果與試驗值的誤差最大為8.84%。這說明采用數(shù)值計算方法預報船舶阻力是合理可靠的，可為后續(xù)同類船型開發(fā)研究提供參考。從預報結(jié)果來看，水線面大開口的存在導致了船體總阻力急劇增大，船舯開口結(jié)構(gòu)對船體摩擦阻力和興波阻力變化影響較小，大開口導致的粘壓阻力變化才是引起船體阻力增值的主要原因。

參考文獻

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