斧式艏船型的阻力和耐波性研究

朱月平　盧通

摘? ? 要：本文依托粘流和勢流理論對斧首船進行快速性和耐波性的數(shù)值模擬分析。首先依據(jù)粘流CFD軟件對斧式首船快速性進行仿真，并與相同主尺度的普通船型進行對比，并在此基礎(chǔ)上運用勢流理論對斧式首船的耐波性進行評估，獲得擁有良好水動力性能的高速船型。

關(guān)鍵詞：斧首船;耐波性;快速性

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Resistance and Seakeeping of Axe-bow Ship

ZHU Yueping LU Tong

（ 1. Jiangmen Hangtong Shipbuiding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145;

2. Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： In this paper， the rapidity and seakeeping performance of the axe-bow ship is simulated and analyzed. Firstly， based on viscous CFD software， the rapidity of the axe-bow ship is simulated， and compared with ordinary ship under the same main scale. On this basis， the potential flow theory is used to evaluate the seakeeping of the axe-bow ship and a high speed ship with good hydrodynamic performance is obtained.

Key words： Axe-bow ship; Seakeeping; Rapidity

1? ? ?前言

為了獲得高航速下的優(yōu)良水動力性能船型，眾多學(xué)者對不同船型進行了廣泛的研究，由傳統(tǒng)的高速圓舭型船，逐漸過渡到高海況耐波性能更佳的深V船型。為了探索能夠兼顧快速性和耐波性的優(yōu)良船型，本世紀初一種新型的穿浪型船逐漸進入人們的視野。該船型首部極度鋒利和尖銳，得名斧首船。本文基于對該船型的快速性和耐波性的關(guān)注，對其水動力性能進行仿真分析。

2? ? ?圓舭型船進行快速型和耐波性計算

在傳統(tǒng)的船舶設(shè)計中，圓舭型船往往是設(shè)計者優(yōu)先考慮的船型，其阻力性能良好、穩(wěn)性較好、艙容大。

本文選用一艘55 m高速圓舭型船，采用CFD軟件對其快速型和耐波性計算，并與模型試驗結(jié)果進行對比驗證。

2.1? ?快速性計算

該55 m高速圓舭型船的設(shè)計航速24 kn、排水量336 t。表1為該船的主尺度。

計算工況，如表2所示。

計算采用的湍流模型為RNG k-e 模型;數(shù)值計算域以船?？v舯剖面為對稱面，計算域在長度方向上取6倍船長;在寬度和水深方向分別取3倍船長、3倍船長。模型的計算域網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

表3給出了CFD數(shù)值計算結(jié)果，表中Rt為總阻力。圖2為計算值與實驗值的對比，從圖2可以看出：在各航速的誤差均較小，基本在10%以內(nèi)，且計算值大于試驗結(jié)果。其誤差原因，主要是模型試驗的尺度效應(yīng)以及計算網(wǎng)格尺度;以及試驗中存在水池壁面波浪反射的影響;此外，為了保證網(wǎng)格基數(shù)相同，邊界層網(wǎng)格采用相同尺寸，因此也造成了部分數(shù)值誤差。

圖3給出了不同航速下船體周圍自由液面波形分布情況。從圖3可以看出：CFD數(shù)值模擬下，船舶自由面波形較好，隨著航速的增大，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(fù)雜。

2.2? ?耐波性計算

該船的耐波性計算采用AQWA進行校核，并與試驗結(jié)果進行對比驗證。由于計算軟件AQWA是基于邊界元法進行仿真分析，并未考慮水的粘性影響，因此需要對各自由度進行阻尼修正。根據(jù)以往的經(jīng)驗，取臨界阻尼的一部分作為粘性阻尼，可達到工程精度要求。臨界阻尼Dcritical可按下式計算：

式中：I為慣性質(zhì)量，kg;Ia為附加慣性質(zhì)量，kg;K為對應(yīng)自由度的剛度，N·m。

本研究中的粘性阻尼的計算結(jié)果，如表4所列。

本文選取的波浪參數(shù)與試驗保持一致。表5為時域規(guī)則波計算參數(shù)，圖4為計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比。

從圖4可以看出：計算結(jié)果總體上與試驗結(jié)果接近，尤其是垂蕩和縱搖幅值及趨勢與實驗結(jié)果基本相同，相對誤差較小;橫搖運動在固有頻率附近的幅值相差較大。

本文主要關(guān)注點在縱搖和垂蕩上，其誤差結(jié)果均在可接受范圍內(nèi)?？紤]到模擬結(jié)果大部分在實驗值之上，在實際工程預(yù)報中更為安全，因此可以認為采用AQWA進行耐波性仿真計算相對可靠。

3? ? 斧首船快速性及耐波性計算

盡管圓舭型船擁有諸多良好的性能，但在高航速和高海況下航行時，其水動力性能往往差于深V型船，深V型船在高航速段阻力性能優(yōu)勢明顯;而斧首船是由深V型船發(fā)展而來，兼具其優(yōu)良的耐波性，通過增加船舶的虛長度，可以提升興波阻力性能。

因此，本文在深V型船基礎(chǔ)上開發(fā)一型斧首船?；趍axsurf建立斧首船模型，并在ANSYS SCDM中導(dǎo)入相關(guān)軟件計算。

該艇排水量及主尺度與上面計算的55 m圓舭型船保持一致，如表6所列。

3.1? ?快速性計算

由于斧首船在高航速時才能有效體現(xiàn)優(yōu)良的快速性能。因此，本文僅對Fr大于0.4的航速區(qū)間進行對比分析。采用上面相同的方法進行建模和網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

計算基于Star CCM+進行，計算結(jié)果如表7所列。

由表7及圖6可知：單體斧首船相對于原母型船快速性有明顯的優(yōu)化，總體上快速性提高4.5%以上。在部分航速點超過10%。

與原母型船的興波試驗結(jié)果一致，隨著航速的增加船興波更加強烈，首部興波高度更高，但斧首船的興波相對更穩(wěn)定。因此，在下一步阻力分析中可加裝防濺條，在其尾部加壓浪板，抑制興波阻力。

3.2? ?耐波性計算

使用AQWA勢流軟件對斧首船的耐波性進行計算：

（1）頻域RAO響應(yīng)分析

計算海浪分23個方向、40個頻率點（計算浪向按15° 間隔分析，計算頻率由程序自動計算得到）。輸入粘性阻尼，由計算得到靜水回復(fù)剛度和附加質(zhì)量。

考慮到數(shù)值模擬結(jié)果與試驗值存在誤差，因此斧首船計算結(jié)果僅與原船基于AQWA的計算結(jié)果進行對比：圖7給出了在橫浪90°、首斜浪135°、尾斜浪45°及迎浪0°狀態(tài)的幅值響應(yīng)算子RAO對比圖。

（2）短期海況預(yù)報

采用JONSWAP譜作為不規(guī)則波浪的輸入條件，譜峰提升因子γ取3.3與實驗保持一致，波浪種子數(shù)為100，特征周期Ts和三一有義波高H1/3，具體參數(shù)如表8所列：

由于短期海況可以認為滿足瑞利分布，船體的波頻運動也為瑞利分布，有義值為標準差的2倍，可以用1.86乘以有義值得出近似最大值。本文重點計算斧式首船型首部的運動響應(yīng)，對比首部升沉及首垂向加速度改善情況，在船首增加水動力性能的監(jiān)測，并對其有義值進行評估;首部監(jiān)測點取本船首垂線對應(yīng)甲板位置。圖8給出了斧首船與圓舭型船各海況下的有義值對比。

從圖8可以看出：斧首船在各級海況下的耐波性，均優(yōu)于圓舭型船。在縱搖、首部垂蕩和首部垂向加速度的優(yōu)化效果，均超過30%。尤其在高海況下，斧首船的首部垂蕩和垂向加速度優(yōu)化效果達到了50%。

4? ? 總結(jié)

本文通過對一艘用于高海況作業(yè)的斧首船優(yōu)化設(shè)計，對其水動力性能進行了全面評估，獲得如下結(jié)論：

（1） 斧首船在Fr=0.4～0.8時，快速性具有明顯的優(yōu)勢，根據(jù)計算結(jié)果，最大優(yōu)化效果為16%，在設(shè)計航速下的優(yōu)化效果為5%，總體優(yōu)化效果在5%以上;

（2） 斧首船縱搖和橫搖，在各浪向角下優(yōu)化效果均超過10%;相較于圓舭型船，在各級海浪下橫搖及縱搖優(yōu)化效果超過30%，首部垂蕩加速度和首部升沉超過50%。

從以上結(jié)論可以看出，斧首船首部線型增加了船長的虛擬長度，在相同線型下，斧首船阻力及耐波性改善明顯。其中，阻力及橫搖、縱搖運動的降低，能夠在高速海上客運時給乘客良好的體驗，降低暈船率;此外，其快速性和耐波性良好，對于高海況下海上救援等工程的應(yīng)用也有明顯幫助。斧首船首部優(yōu)良的耐波性，能夠增加海上風電運維登程作業(yè)的安全性，為海上運維作業(yè)提供有利支撐。

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