內(nèi)河新型豪華游輪船型阻力研究

齊英凱 趙丙乾 劉佳侖

摘 要：由于航道吃水限制及裝載工況多變，新一代內(nèi)河豪華游輪多采用雙艉或者三艉設(shè)計(jì)，船型寬淺肥大，主要船型系數(shù)和海船差異較大。本文在以往內(nèi)河船型阻力研究基礎(chǔ)上，以新型內(nèi)河三艉豪華游輪為研究對(duì)象，采用粘性流計(jì)算軟件FINE/MARINE，考慮了自由面的影響，分別針對(duì)裸船體、裸船體帶舵及裸船體帶舵并考慮船舶運(yùn)動(dòng)的影響等三種不同計(jì)算狀態(tài)的船型阻力開(kāi)展預(yù)報(bào)研究，并通過(guò)水池試驗(yàn)進(jìn)行有效驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果滿足工程精度要求，可作為新型豪華旅游船的船型阻力評(píng)估依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三艉;FINE/MARINE;阻力

中圖分類(lèi)號(hào)：U662? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）10-0104-04

內(nèi)河新一代豪華旅游船船型開(kāi)發(fā)逐步成為行業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)。為適應(yīng)行業(yè)新的需求，相較于傳統(tǒng)客船，新一代豪華旅游船更安全、更經(jīng)濟(jì)、更舒適。特別是隨著近年來(lái)國(guó)家對(duì)郵輪經(jīng)濟(jì)及產(chǎn)業(yè)大力扶持，在內(nèi)河也掀起了一股豪華郵輪、大型水上娛樂(lè)設(shè)施的建造熱潮。開(kāi)展新型豪華旅游船船型研究，需要精確評(píng)估船舶快速性等參數(shù)，在船型設(shè)計(jì)前期，一般通過(guò)水池試驗(yàn)確定船舶快速性能，以便獲得優(yōu)良船型。但是船模試驗(yàn)需要制作船體模型，費(fèi)用高，周期長(zhǎng)，并且不容易針對(duì)多種船型方案進(jìn)行調(diào)整。特別是在船舶設(shè)計(jì)初期，如何精確評(píng)估船舶阻力、流場(chǎng)數(shù)據(jù)，用以掌握船舶性能指標(biāo)以及方便后期的船舶優(yōu)化改進(jìn)，是豪華旅游船船型開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵所在。

隨著計(jì)算性能的快速發(fā)展，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）研究船舶航行性能已成為可能。相較于模型試驗(yàn)，CFD 費(fèi)用低，周期短，可以精準(zhǔn)獲得船舶周?chē)鲌?chǎng)特性，方便根據(jù)流場(chǎng)改進(jìn)船型。目前，國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)采用RANS加自由面的處理方法，對(duì)船舶快速性能預(yù)報(bào)基本達(dá)到工程實(shí)用精度[5～8]，但以上研究大都基于海船船型。由于航道吃水限制及裝載工況多變，內(nèi)河船舶多采用雙艉或者三艉設(shè)計(jì)，船型寬淺肥大，主要船型系數(shù)和海船有較大差異，目前研究較少。

FINE/Marine 是船舶與海洋工程水動(dòng)力專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件包[9]，主要包括網(wǎng)格生成器HEXPRESS、后處理工具CFView和不可壓粘性流場(chǎng)求解器ISIS-CFD。其特色在于，HEXPRESS為全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成工具，采用體到面的網(wǎng)格生成方式，可以快速生成高質(zhì)量網(wǎng)格。而且，對(duì)于船舶工程問(wèn)題的模擬都可以通過(guò)使用界面的設(shè)置計(jì)算實(shí)現(xiàn)，無(wú)需通過(guò)二次開(kāi)發(fā)功能，方便快捷。

為精確獲得豪華旅游船航速功率指標(biāo)及船舶流場(chǎng)信息，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD方法，以往內(nèi)河船型阻力研究基礎(chǔ)上，以新型內(nèi)河三艉豪華游輪為研究對(duì)象，采用粘性流計(jì)算軟件FINE/MARINE，考慮了自由面的影響，分別針對(duì)裸船體、裸船體帶舵及裸船體帶舵并考慮船舶運(yùn)動(dòng)的影響等三種不同計(jì)算狀態(tài)的船型阻力開(kāi)展預(yù)報(bào)研究，并通過(guò)水池試驗(yàn)進(jìn)行有效驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果滿足工程精度要求，可作為新型豪華旅游船的船型阻力評(píng)估依據(jù)。

1數(shù)學(xué)模型

本文對(duì)水面船舶自由面擾流問(wèn)題的數(shù)值模擬是將自由面流動(dòng)作為兩相流來(lái)處理，自由面為水和空氣的交界面，使用VOF（Volume of Fluid）方法處理。水面船舶自由面擾流問(wèn)題數(shù)學(xué)模型的控制方程包括：連續(xù)性方程、體積分?jǐn)?shù)方程、動(dòng)量方程，以及湍流模型的方程和方程。

1.1 控制方程

不可壓縮黏性流體的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為：

式中，t為時(shí)間;ρ為密度;V為控制體;S為控制體的面積;Ud為控制體面積法向向量的速度;U和p分別為速度和壓力;Ui為在xi坐標(biāo)軸方向上的平均速度分量;τij和gi分別為黏性應(yīng)力張量和重力矢量;Ii和Ij分別為方向向量。

1.2湍流模型——SST? ? ? ? ? ?模型

1.3自由面捕捉算法

自由液面捕捉法將空氣和水作為單一流體同時(shí)計(jì)算，該單一流體的性能（質(zhì)量體積和黏性因數(shù)）在空間的變化取決于構(gòu)成函數(shù)ci，在自由液面計(jì)算中，ci在空氣中取值為0，在水中取值為1，通過(guò)求解下式確定：

自由液面捕捉算法具有更好的靈活性和適應(yīng)性，可較好地模擬破碎波等復(fù)雜的自由液面。

1.4 離散格式

控制方程的離散項(xiàng)采用隱式有限體積法，直接求解三維黏性不可壓多相流的雷諾平均方程，具有2階空間和時(shí)間精度，動(dòng)量方程離散采用GDS格式，時(shí)間離散采用時(shí)間步進(jìn)算法。自由液面捕捉采用BRICS可壓縮型離散格式，能減小自由液面附近構(gòu)成函數(shù)的數(shù)值擴(kuò)散。

2 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為內(nèi)河三艉豪華旅游船。航行于長(zhǎng)江重慶-上海航線，設(shè)計(jì)航區(qū)為A、B、C 航區(qū)，J2級(jí)急流航段。船型為三艉、小球首單體船型。為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船舶阻力，在702所拖曳水池進(jìn)行阻力測(cè)試。本文對(duì)船模尺寸進(jìn)行CFD模擬計(jì)算。主要船型參數(shù)如表1所示，船體三維模型見(jiàn)圖1：

3數(shù)值計(jì)算

3.1計(jì)算區(qū)域及邊界條件

為分析對(duì)比不同船型計(jì)算方案的影響，本文選擇全船進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算。其中計(jì)算邊界定義如下：

（1）前端——模型首部前約1.5LPP處;

（2）后端——模型尾部后約3.5LPP處;

（3）側(cè)邊界——模型側(cè)方約1.5LPP處;

（4）上邊界——水線以上約0.5LPP處;

（5）下邊界——水線以下約1.5LPP處。

計(jì)算域上下邊界取為壓力邊界，前后截面及船側(cè)取為遠(yuǎn)流場(chǎng)邊界條件，船體甲板面為滑移物面，其他表面為不可滑移物面條件。在求解過(guò)程中存在時(shí)間偏導(dǎo)項(xiàng)，船體從靜止到某一航速，給定加速時(shí)間，然后船舶按照設(shè)計(jì)航速航行直至收斂。

3.2網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格質(zhì)量影響數(shù)值計(jì)算的正確性和精確性。本文采用軟件自帶前處理器HEXPRESS生成全六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。通過(guò)網(wǎng)格粗化、細(xì)化，吸附以及自由面附近進(jìn)行細(xì)化形成貼體網(wǎng)格。其中第一層邊界層網(wǎng)格間距及邊界層層數(shù)根據(jù)y+確定。分別對(duì)三艉豪華游輪進(jìn)行裸船體和裸船體加舵兩種狀態(tài)下的網(wǎng)格劃分，其中裸船體加舵計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為192萬(wàn)，裸船體網(wǎng)格總數(shù)為152萬(wàn)。網(wǎng)格質(zhì)量通過(guò)網(wǎng)格之間的正交性來(lái)保證，即絕大部分網(wǎng)格正交性為90 deg。其中，對(duì)于裸船體的網(wǎng)格最小正交性為≥12.51deg，對(duì)于裸船體加舵的網(wǎng)格，由于舵尾緣尺寸較小，最小正交性為≥11.29deg，網(wǎng)格質(zhì)量滿足數(shù)值計(jì)算要求。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格、船體表面網(wǎng)格及船體首尾網(wǎng)格細(xì)節(jié)劃分如圖2、圖3、圖4所示。

4計(jì)算結(jié)果分析

分析結(jié)果處理中，無(wú)量綱系數(shù)傅汝德數(shù)Fr，雷諾數(shù)Re、船舶總阻力系數(shù)CT和摩擦阻力系數(shù)CF_ITTC分別定義如下：

式中：Vm為求解船模速度;g為重力加速度;ρw，μw分別為水的密度和粘性。Sw為船舶靜水濕表面積。R為船模阻力。

水面船舶前進(jìn)時(shí)，會(huì)對(duì)其周?chē)鲌?chǎng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致壓力場(chǎng)和剪應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，也就是使船舶所受到的力和力矩發(fā)生變化：

數(shù)值模擬中，作用在船體上的力和力矩可以有（10）～（11）兩式得到，船舶運(yùn)動(dòng)的速度、角度、位置和姿態(tài)可以由（12）～（13）得到。船體在靜水中前進(jìn)時(shí)，流體作用在船體上的力和力矩會(huì)使船體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)（縱傾和升沉），船體運(yùn)動(dòng)至新的姿態(tài)后，又使得作用在上面的力和力矩發(fā)生變化，力和力矩的變化與船模運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬的過(guò)程是耦合迭代的。數(shù)值模擬的過(guò)程足夠長(zhǎng)時(shí)間后，力、力矩會(huì)相對(duì)平穩(wěn)，船體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)也會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，這個(gè)姿態(tài)就是船體航行的平衡姿態(tài)。

為后期進(jìn)行船型研究需要，在進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算時(shí)，考慮三種計(jì)算狀態(tài)，分別為：CAL_I，帶舵船體數(shù)值模擬，考慮船舶運(yùn)動(dòng)（縱傾和升沉）的影響;CAL_II，帶舵船體數(shù)值模擬，不考慮船舶運(yùn)動(dòng)的影響（縱傾和升沉）;CAL_III，裸船體進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮船體運(yùn)動(dòng)的縱傾和升沉的影響。三種狀態(tài)在不同航速計(jì)算結(jié)果以及與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖5和表2所示，其中誤差的定義為ERR=（CCAL-CEXP）/CEXP。

船模在進(jìn)行水池試驗(yàn)時(shí)帶舵進(jìn)行的，為了進(jìn)行數(shù)值模擬有效性驗(yàn)證及后期船型優(yōu)化的需要，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)考慮了三種狀態(tài)。其中，CAL_I為帶舵船體數(shù)值模擬并考慮船舶運(yùn)動(dòng)（縱傾和升沉），CAL_I與物理水池的實(shí)際更為接近，誤差基本在2%左右，且CFD數(shù)值模擬結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果略小，趨勢(shì)穩(wěn)定，充分說(shuō)明CFD模擬的精度和可靠性。CAL_II為帶舵船體CAL_II，帶舵船體數(shù)值模擬，不考慮船舶運(yùn)動(dòng)的影響（縱傾和升沉）。主要是為了驗(yàn)證船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)于船型阻力的影響?？梢钥闯觯S著船舶航速的提高，船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響越大。CAL_III為裸船體進(jìn)行數(shù)值模擬并考慮船體運(yùn)動(dòng)（縱傾和升沉）的影響?？梢钥闯觯娴挠绊懴鄬?duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，三個(gè)舵阻力增量基本在4%左右?？梢钥闯鰧?duì)于不同的研究目的，需要考慮船舶計(jì)算模態(tài)各不相同，對(duì)于船舶線型優(yōu)化來(lái)說(shuō)，由于舵等附體增加線型優(yōu)化的復(fù)雜性，因此選擇裸船體（CAL_III）進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于船舶航速功率預(yù)報(bào)而言，舵等附體阻力成分不可忽略，因此選擇裸船體帶舵進(jìn)行計(jì)算（CAL_I或CAL_II）。船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)船體阻力的影響隨航速有所差別，對(duì)于低速船而言，船舶縱傾和升沉的變化較小，因此不考慮船舶運(yùn)動(dòng)的影響也相對(duì)合理，但是船舶航速增加時(shí)，船舶縱傾和升沉的變化對(duì)于流場(chǎng)的改變不可忽視，船舶運(yùn)動(dòng)將會(huì)對(duì)船舶阻力、興波產(chǎn)生比較明顯的影響，因此在數(shù)值模擬中需要考慮船舶縱傾和升沉的影響。

基于CFD的船舶阻力評(píng)估分析可以給出船舶詳細(xì)的航速流場(chǎng)信息，方便船型的優(yōu)化和改進(jìn)，這是CFD的一大優(yōu)勢(shì)。上圖分別為船模對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)航速下的自由表面流場(chǎng)，船體側(cè)方波高及船舶水線高度，未來(lái)可以根據(jù)。

5結(jié)論

為精確獲得豪華旅游船航速功率指標(biāo)及船舶流場(chǎng)信息，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD方法，以往內(nèi)河船型阻力研究基礎(chǔ)上，以新型內(nèi)河三艉豪華游輪為研究對(duì)象，采用粘性流計(jì)算軟件FINE/MARINE，考慮了自由面的影響，分別針對(duì)裸船體、裸船體帶舵及裸船體帶舵并考慮船舶運(yùn)動(dòng)的影響等三種不同計(jì)算狀態(tài)的船型阻力開(kāi)展預(yù)報(bào)研究，并通過(guò)水池試驗(yàn)進(jìn)行有效驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果滿足工程精度要求，可作為新型豪華旅游船的船型阻力評(píng)估依據(jù)。

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