基于CFD的4萬(wàn)t自卸船線型優(yōu)化設(shè)計(jì)

梁家健，魏錦芳，黃光兵，趙強(qiáng)

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 200011；2.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082；3.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 無(wú)錫 214433)

對(duì)于操縱性能要求較高的船舶，較多采用艏艉側(cè)推裝置，側(cè)推雖然提高了船舶的回轉(zhuǎn)性能，但側(cè)推孔屬于空腔結(jié)構(gòu)，流體流經(jīng)空腔內(nèi)部時(shí)會(huì)產(chǎn)生回流也會(huì)引發(fā)阻力的增加。研究表明，在空腔結(jié)構(gòu)處增設(shè)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，能夠有效改善空腔內(nèi)部的流場(chǎng)性能，減小阻力，國(guó)內(nèi)外大量實(shí)船廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者基于計(jì)算流體力學(xué)方法開(kāi)展了綠色船型的開(kāi)發(fā)研究，聯(lián)合運(yùn)用線型優(yōu)化技術(shù)并結(jié)合實(shí)船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)降低船舶阻力、提高推進(jìn)效率、減小裝機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)的降低。針對(duì)客滾船，集裝箱船和散貨船等各類(lèi)船型，研究集中于以船艏，尾鰭等各類(lèi)船體部位的優(yōu)化，并結(jié)合模型試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，為船體型線優(yōu)化提供參考依據(jù)；針對(duì)節(jié)能裝置，呆木，軸支架等船體附體開(kāi)展建模研究，為船體附體的優(yōu)化提供參考依據(jù)；對(duì)比基于NAPA+CFD與CASES+CFD對(duì)于某集裝箱船優(yōu)化結(jié)果的影響，分析不同優(yōu)化手段對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響，為優(yōu)化方案的選取提供了借鑒。本文以一艘4萬(wàn)t自卸船為研究對(duì)象，該自卸船屬于單艉船型，帶有尾鰭，由尾鰭部分引起的伴流場(chǎng)的變化會(huì)影響螺旋槳的推進(jìn)效率，是優(yōu)化的重要對(duì)象；自卸船屬于散貨船型，方形系數(shù)較大，船首引起的興波也會(huì)造成總阻力的變化；此外，為了改善操縱性能，自卸船帶有側(cè)推孔從而影響了阻力性能。對(duì)該自卸船的尾鰭以及船首線型進(jìn)行優(yōu)化，利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行預(yù)報(bào)，分析優(yōu)化方案下流場(chǎng)細(xì)節(jié)，以?xún)?yōu)化線型方案為基礎(chǔ)開(kāi)展了側(cè)推孔設(shè)計(jì)，并對(duì)側(cè)推孔進(jìn)行優(yōu)化，增設(shè)導(dǎo)流槽以降低阻力。針對(duì)最終線型方案，開(kāi)展若干個(gè)吃水下的快速性模型試驗(yàn)研究，對(duì)優(yōu)化線型方案進(jìn)行實(shí)船航速預(yù)估，為實(shí)船設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值方法

在計(jì)算流體力學(xué)中，利用直接數(shù)值模擬及大渦模擬解決工程中復(fù)雜流動(dòng)，耗時(shí)量大、周期長(zhǎng)，故采用定常的RANS方法求解N-S方程，計(jì)算效率高，求解精度也基本可滿(mǎn)足工程需要。湍流模型方面，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的-模型而言，SST-模型基于剪切流應(yīng)力傳播修改了湍流粘性公式，合并了交叉擴(kuò)散，使得湍流公式適用于更高雷諾數(shù)的湍流。本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)對(duì)N-S方程進(jìn)行求解，對(duì)初始以及優(yōu)化線型的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得流場(chǎng)細(xì)節(jié)，以便與后續(xù)優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)優(yōu)化后，本船設(shè)計(jì)吃水下擬達(dá)到的航速應(yīng)不低于13.6 kn。船體主尺度以及計(jì)算要素見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值計(jì)算條件列表

2 線型優(yōu)化與數(shù)值分析

選取1艘噸位相近的自卸船，對(duì)其進(jìn)行母型變換，得到初始方案A，經(jīng)多輪優(yōu)化以及數(shù)值計(jì)算，優(yōu)化線型改動(dòng)方案以及改動(dòng)后優(yōu)化效果分析見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化線型改動(dòng)方案以及改動(dòng)后優(yōu)化效果分析

對(duì)比后選取優(yōu)化線型Line3方案記為A，A方案與A方案線型對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 方案A0與A1線型對(duì)比

相對(duì)于A方案而言：A方案船艉處，艉軸出口處位置有所提前，艉軸靠近水線的半寬減小，這樣更有利于螺旋槳進(jìn)水；同時(shí)將尾板最高點(diǎn)寬度減小，尾板最低點(diǎn)的位置提高，這樣更有利于防止尾部上浪。船艏處，靠近水線處的半寬減小，這樣更加有利于減小船艏興波。最終方案的靜水力對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 原始線型與優(yōu)化線型設(shè)計(jì)吃水的靜水力對(duì)比

由靜水力對(duì)比可知，A方案在方形系數(shù)，濕表面積以及設(shè)計(jì)吃水下的排水體積方面較A方案均有所減小。

經(jīng)計(jì)算，模型阻力及預(yù)估收到功率大小對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 方案A0與A1總阻力和收到功率對(duì)比

從模型阻力來(lái)看，方案A較A阻力方面減小約5.33%，匹配相應(yīng)的螺旋槳時(shí)，收到功率減小約4.63%，經(jīng)優(yōu)化后的線型在阻力與自航方面均有改善。

方案A與A槳盤(pán)面伴流對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 方案A0與A1槳盤(pán)面伴流圖對(duì)比

從槳盤(pán)面伴流可以看出，A方案在槳盤(pán)面槳轂處附近的伴流有了顯著改善，高伴流區(qū)域減小，且更加均勻，這更加有利于減小螺旋槳處的激振力從而使螺旋槳獲得更大的效率。此外，在艉軸上方的高伴流區(qū)域也顯著減小。這主要是由于減小了尾鰭附近處的半寬，使得尾鰭附近處的進(jìn)流更加順暢所致。

方案A與A的自由面波形圖見(jiàn)圖3。

圖3 方案A0與方案A1自由液面波形對(duì)比

從圖3中可見(jiàn)，較方案A而言，方案A在船身舷側(cè)處產(chǎn)生的舷側(cè)波更加平緩，船艏與船艉的波峰高度也更小，在遠(yuǎn)離船身處，方案A較方案A產(chǎn)生的興波也較小。興波阻力方面有明顯改善。

3 側(cè)推孔數(shù)值計(jì)算分析

本船包含的艏艉側(cè)推孔對(duì)于阻力和自航的影響效應(yīng)不可忽視。根據(jù)本自卸船側(cè)推孔的尺寸及位置信息，對(duì)艏艉側(cè)推孔進(jìn)行建模及CFD評(píng)估。

確定了艏艉側(cè)推孔方案B(見(jiàn)圖4)后，對(duì)帶與不帶艏艉側(cè)推孔，不同尺度下模型的阻力性能進(jìn)行評(píng)估，從阻力性能上來(lái)看，在不同尺度下，側(cè)推孔對(duì)于阻力的增加均不低于2%，且隨著尺度的增大，側(cè)推孔對(duì)于阻力的影響越來(lái)越大。

圖4 初始艏艉側(cè)推孔方案B1三維效果

為了減小側(cè)推孔裝置對(duì)自卸船阻力性能的影響，在艏側(cè)推孔出流口處按照流線方向設(shè)計(jì)導(dǎo)流槽，同時(shí)將艏艉側(cè)推孔進(jìn)行了倒角處理，得到方案B，見(jiàn)圖5。

圖5 帶導(dǎo)流槽的艏艉側(cè)推孔方案B2三維效果

從阻力計(jì)算結(jié)果來(lái)看，不同尺度下帶方案B較B阻力下降約1%，且隨著尺度的增大，阻力下降比例增大。在自航性能進(jìn)行評(píng)估中，預(yù)估了設(shè)計(jì)航速不同尺度下方案A，B和B的收到功率。相對(duì)比裸船體而言，側(cè)推孔使實(shí)船的收到功率提高2.0%到3.5%，而且在不同的尺度下，側(cè)推孔對(duì)收到功率的影響顯著不同。加入導(dǎo)流槽后，收到功率有顯著減小。見(jiàn)表5。

表5 不同尺度、不同方案的阻力與自航預(yù)估對(duì)比

觀察導(dǎo)流槽內(nèi)的速度分布以及流場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)相對(duì)方案B而言，B艏側(cè)推孔內(nèi)速度分部更加均勻，速度幅值較小，導(dǎo)流槽的存在加大了側(cè)推孔空腔的大小，并未導(dǎo)致空腔內(nèi)部流動(dòng)的紊亂。在艉側(cè)推孔內(nèi)流場(chǎng)分布比較中，方案B在迎流面處產(chǎn)生回流漩渦，這會(huì)導(dǎo)致阻力的增加，B則未產(chǎn)生明顯的漩渦，另一方面艉側(cè)推孔的導(dǎo)流面使得部分流線遇到出流面并未發(fā)生阻擋，而是流向了壁外，這均有利于阻力的減小。見(jiàn)圖6、7。

圖6 艏側(cè)推孔方案流線和x方向速度標(biāo)量

圖7 艉側(cè)推孔方案流線和x方向速度標(biāo)量

4 模型試驗(yàn)驗(yàn)證分析

確定最終線型以及艏艉側(cè)推孔的位置后，按照比例加工快速性模型試驗(yàn)所用的模型(見(jiàn)圖8)，開(kāi)展模型試驗(yàn)驗(yàn)證，模型縮尺比為26.667，試驗(yàn)選取結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)，以及壓載吃水3個(gè)狀態(tài)。

圖8 試驗(yàn)船模局部

本船主機(jī)設(shè)計(jì)常用功率為5 858 kW，選取軸系效率0.99，并考慮15%海況裕度，根據(jù)阻力及自航的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)船進(jìn)行航速預(yù)估，不同吃水下阻力度驗(yàn)值和實(shí)船收到功率預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 最終線型方案不同吃水下快速性實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果

根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出，在主機(jī)常用功率帶15%海況裕度條件下，設(shè)計(jì)吃水設(shè)計(jì)航速為13.79 kn；結(jié)構(gòu)吃水設(shè)計(jì)航速為13.68 kn，壓載吃水設(shè)計(jì)航速為14.02 kn。

5 結(jié)論

1)對(duì)船體線型方案進(jìn)行船艏，艉鰭，以及艉封板附近處的線型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化尾鰭附近處的線型有利于改善將盤(pán)面處的伴流提高螺旋槳效率，優(yōu)化船艏處線型有利于改善船艏興波。優(yōu)化后線型在在自由液面波高，槳盤(pán)面伴流性能方面有提升，模型阻力、收到功率值下降不低于4.8%。

2)預(yù)報(bào)顯示，本船側(cè)推孔對(duì)于本船在實(shí)尺度下的阻力和收到功率增加效果不低于3%，增設(shè)導(dǎo)流槽使得空腔內(nèi)部外流線被壁面阻擋更少，可改善側(cè)推孔內(nèi)部的流場(chǎng)性能，阻力進(jìn)一步減小。

3)最終確定的優(yōu)化線型經(jīng)模型試驗(yàn)評(píng)估后，在常用功率為5 858 kW，選取軸系效率0.99，并考慮15%海況裕度下，設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)以及壓載吃水條件下航速分別能達(dá)到13.79 kn，13.68 kn和14.02 kn，達(dá)到了設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)。