主動式截流器流體動力性能與減搖效果研究

王習建，曾 柯，張隆輝，余 蘭，李永成

(中國船舶科學研究中心 水動力學重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

由于受到風浪等復雜海洋環(huán)境的影響，船舶在航行過程中會產(chǎn)生顯著的搖蕩情況，從而影響船載設備的正常工作，降低船上人員的工作效率，對船舶的航行性能產(chǎn)生不利影響，甚至會造成船舶甲板上浪、螺旋槳出水和傾覆等現(xiàn)象的發(fā)生。技術人員發(fā)現(xiàn)，通過在船體上布置合適的減搖附體可有效地提高船舶耐波性。

截流器是近些年船舶領域出現(xiàn)的一種減搖附體，對其與船體進行合理的匹配設計，可改變船體周圍及尾后方的流場，明顯提高船舶的綜合航行性能。針對截流器的水動力性能，國內(nèi)外研究人員開展了相關研究，早在1996年，針對匹配截流器的半排水型船舶，采用模型試驗方法，Zaninovic等通過研究匹配截流器的高航速船舶阻力性能和縱傾角的變化，分析截流器的減阻機理，并針對其在高速船航態(tài)的影響方面進行評估。為了深入探索截流器高度變化對壓力分布的影響，Molini和Brizzolara通過數(shù)值計算方法，研究分析截流器展弦比變化對其周圍速度和壓力繞流場分布帶來的影響。Van Oossanen等采用CFD數(shù)值計算方法針對匹配50 mm高度的截流器機動艇開展了詳細的優(yōu)化計算，分析了由于截流器的存在對滑行艇阻力性能的影響。Steen通過總結(jié)分析有關截流器的模型試驗，發(fā)現(xiàn)加裝截流器前后船舶所產(chǎn)生的升力受航速及縱傾角的影響較小。Mehan Mansoori等探索了滑行艇匹配截流器以及截流器-尾板前后的船舶穩(wěn)性及其水動力性能的變化，研究結(jié)果表明，當截流器高度過大時，船舶會產(chǎn)生明顯的埋首現(xiàn)象，從而對船舶的穩(wěn)性產(chǎn)生消極作用。截流器在國內(nèi)的研究起步較晚，2006年，董文才等采用模型試驗的方法分析了匹配截流器穿浪雙體船的阻力特性。2012年，王文江等[針對匹配截流器的半滑行艇開展了阻力試驗研究。2018年，郭春雨等針對匹配截流器的深V型船阻力性能開展研究，試驗結(jié)果表明截流器具有良好的減阻效果。2020年，申云磊等對不同截流器深度下的滑行艇進行模型試驗，分析了截流器可通過改變船底壓力分布從而降低船體阻力的效果。2021年中船702研究所開展了截流器的水動力機理研究，通過多艘船模試驗驗證了截流器在船舶縱向運動姿態(tài)控制方面的積極作用。

目前國內(nèi)外主要針對截流器的減阻性能開展相關研究，而對其減搖效果的研究較少。本文以匹配截流器的三體船為研究對象，開展截流器流體動力性能與減搖效果研究，通過數(shù)值計算探索了截流器的水動力性能。結(jié)合模型試驗，利用截流器的阻升效應并借助合理的控制策略，實現(xiàn)對三體船縱搖的主動控制，提高三體船的縱向運動性能。

1 數(shù)值計算方法

1.1 控制方程

粘性不可壓縮流場中時間平均連續(xù)性方程和雷諾平均 Navier-Stokes 方程(RANS)在笛卡爾坐標系下的張量形式為：

1.2 湍流模型

采用Realizable兩方程湍流模型，該模型的湍流動能（）方程為：

湍流耗散率方程為：

2 截流器流體動力性能研究

2.1 三體船及截流器構(gòu)型

本文的CFD數(shù)值計算研究對象為三體船，其橫剖面型線如圖1所示，主尺度參數(shù)見表1。該三體船由1個主體和2個片體組成，片體位于船體中后方。

圖1 三體船幾何圖Fig. 1 Geometry figure of the trimaran

表1 三體船模型主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of trimaran model

為了增大迎流面積、發(fā)揮截流器最大的水動力作用效果，在三體船尾部沿船寬方向連續(xù)布置截流器，并垂直船體向下，如圖2所示。根據(jù)船模主尺度參數(shù)，設計截流器垂向高度分別為20 mm，40 mm，60 mm，80 mm和100 mm（約為模型垂線間長的0.5%，1.0%，1.5%，2%，2.5%），探索截流器對船體水動力性能的影響規(guī)律。

2.2 截流器流體動力性能計算與分析

針對匹配不同截流器高度（0，20 mm，40 mm，60 mm，80 mm，100 mm）的三體船靜水阻力開展拘束模數(shù)值計算研究。

表2為不同截流器長度下三體船的靜水阻力計算結(jié)果其中R為總阻力，R為壓差阻力，R為摩擦阻力?？梢钥闯?，隨著截流器長度的增加，總阻力值在增加。從摩擦阻力和壓差阻力的計算結(jié)果可知，摩擦阻力的變化量較小，截流器的存在主要改變了壓差阻力的計算結(jié)果，從而增加了總阻力。

圖2 截流器在三體船尾部的布置Fig. 2 Interceptor arrangement at the stern of trimaran

表2 不同航速下三體船靜水阻力計算結(jié)果表Tab. 2 Calculation results table of static water resistance of trimaran at different speeds

圖3為不同截流器長度下三體船靜水中拖曳航行尾部興波CFD計算結(jié)果?？梢钥闯觯S著截流器長度增大，三體船尾部的虛長度顯著增大，船尾興波也逐漸增大。結(jié)合阻力數(shù)值計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，盡管截流器的存在增加了尾部的虛長度，但是尾部興波相比光體卻增加了很多，造成壓阻不但沒有減小反而增加。

圖3 三體船靜水中航行尾部中縱剖面波形圖Fig. 3 Mid-longitudinal section waveform of trimaran stern sailing in still water

為了探索截流器的水動力作用機理，將三體船底部切割成若干剖面，如圖4所示。在數(shù)值計算中，監(jiān)測不同截流器長度下船尾至船中的壓力分布。

圖4 三體船底部剖面劃分圖Fig. 4 Section division of trimaran bottom

圖5為不同截流器長度下船尾至船中的壓力分布曲線。圖中，J表示截流器，J20表示截流器高度為20 mm。可以看出，當三體船尾部無截流器時，船尾附近的壓力值較小，船尾至船中的壓力逐漸增大。當三體船尾部匹配截流器時，船尾的壓力值最大。同一截流器長度下，船尾至船中的壓力值呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，且截流器越長，靠近船尾的壓力越大，這表明截流器對船體的水動力作用主要集中在船尾附近。

圖5 不同截流器長度下船尾壓力分布Fig. 5 Pressure distribution under different interceptor length

3 主動式截流器減搖效果試驗研究

由于截流器的存在使得船尾流體壓力急劇增加，在船尾產(chǎn)生一個向上的流體作用力，從而可以產(chǎn)生一個較大的抑制船舶抬首的縱搖力矩，利用這一水動力特性，設計主動式截流器，在波浪中開展匹配主動式截流器的三體船縱向運動響應試驗研究，驗證主動式截流器的減搖效果。

3.1 截流器機構(gòu)設計

根據(jù)前文的數(shù)值計算并參考文獻[12]，選取主動式截流器的可伸縮長度為40 mm（約為模型垂線間長的1%），形狀和三體船的尾部相似，并緊貼著尾封板由船底向下伸出，截流器系統(tǒng)的組成主要包括：截流器、步進電機、滑臺、導桿、安裝板等，其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。截流器板面上布置有螺紋孔，可與導桿進行連接，如圖7所示。

圖6 截流器機構(gòu)方案安裝示意圖Fig. 6 The installation diagram of interceptor mechanism scheme

圖7 截流器示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the interceptor

3.2 主動式截流器控制原理

主動式截流器控制方法的關鍵問題是建立目標船的運動數(shù)值模型?？紤]到主動式截流器的功能是主要減小船舶的縱搖運動，對其他自由度的運動影響較小，因此在控制仿真時僅需建立目標船的縱搖運動模型。由此，時域中目標船的縱搖運動模型方程可以寫作：

其中：為船舶縱搖轉(zhuǎn)動慣量；為船舶縱搖附加慣量；為船舶縱搖阻尼系數(shù)；為縱搖靜水回復力系數(shù)；為速度脈沖函數(shù)函數(shù)；為船舶受到的縱搖波浪力矩；為主動截流器提供的控制力矩。

主動式截流器的工作原理是通過增加主動式截流器的伸長量使航行船舶獲得用于抵抗波浪抬首作用的埋首力矩。當船舶受到波浪的埋首作用力時，主動式截流器將伸長量減小，從而避免與波浪力矩的作用疊加，造成船舶的埋首增大。本文所采用的主動截流器縱搖控制原理如圖8所示。

圖8 主動式截流器減搖原理圖Fig. 8 Stabilization schematic diagram of active interceptor

可知，通過輸入目標船的縱搖角度、角速度等信號，經(jīng)過系統(tǒng)核心控制單元的處理和解算，計算得到截流器的伸長量，使其產(chǎn)生相應的力矩來實現(xiàn)目標船縱向運動姿態(tài)控制，從而提高風浪中目標船的航行性能。由于主動式截流器僅能提供埋首力矩，因此當船舶縱搖為抬首時，按比例控制方式計算主動式截流器的伸長量。當船舶縱搖為埋首時，為避免主動式截流器進一步加大埋首縱搖角，則控制截流器長度迅速歸零。

3.3 規(guī)則波中運動響應模型試驗

通過頂浪規(guī)則波試驗，分析得到三體船在截流器主動控制/不控制狀態(tài)下的縱搖運動響應函數(shù)，本文截流器不控制指的是截流器在尾部船底上方固定不動（無伸縮量）。規(guī)則波試驗中采用拖航試驗方法進行，具體試驗工況如表3所示。

表3 規(guī)則波模型試驗內(nèi)容Tab. 3 Regular wave model test

圖9為頂浪規(guī)則波中截流器主動控制和不控制時，模型縱搖運動的典型時間歷程（縱搖值抬首為正）?？梢钥闯?，截流器主動控制時，模型抬首狀態(tài)下的縱搖值明顯減小，而埋首狀態(tài)下的縱搖值變化不大。這表明，截流器主要通過抑制船舶抬首來達到減小縱搖運動的效果。

通過規(guī)則波試驗得到模型在截流器主動控制和不控制時縱搖運動的傳遞函數(shù)，如圖10所示。其中，橫坐標為波長船長比，縱坐標為縱搖無因次的響應值。

可以看出，當波長船長比小于1.0時，模型的縱搖運動響應較小，沒有明顯的減搖效果；當波長船長比大于1.0時，主動式截流器起到了減搖效果；波長船長比為1.35時，截流器的最大減搖效果可達19.23%。

圖9 船?？v搖運動時間歷程Fig. 9 Time history of pitching motion of ship model

圖10 頂浪規(guī)則波中縱搖運動響應曲線Fig. 10 Curve of pitching motion response in top regular wave

4 結(jié) 語

以一艘三體船為研究對象，開展主動式截流器流體動力性能與減搖效果研究，結(jié)論如下：

1）由靜水阻力數(shù)值計算結(jié)果可知，隨著截流器長度的增加，總阻力值逐漸增加，加裝截流器的三體船摩擦阻力變化較小，截流器的存在主要改變了壓差阻力值，從而增加了船體總阻力；

2）由不同截流器長度下三體船底部截線上的壓力值可知，當流經(jīng)船體尾部下表面附近的水流受到截流器的阻流作用時，截流器前流體的壓力將急劇增加，從而在船尾底部產(chǎn)生一個向上的流體作用升力；

3）當波長船長比大于1.0時，主動式截流器起到了減搖的效果，最大減搖效果可達19.23%。

本文提出的高速三體船縱向運動性能的截流器及其控制方案，可改善三體船綜合航行性能，為后續(xù)截流器在實船上的應用提供技術支撐。