船艏新型附體減阻減縱搖的數(shù)值計(jì)算及模型試驗(yàn)研究

趙港全，劉志華，劉文濤

（海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，武漢 430033）

0 引 言

努力提高船舶的快速性和適航性，一直是船舶設(shè)計(jì)師和船舶性能研究領(lǐng)域?qū)W者密切關(guān)注的課題。提高船舶的快速性，主要的技術(shù)途徑為減小船舶在水面航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)阻力。水面船舶的阻力成分主要包括摩擦阻力、粘壓阻力和興波阻力。減小摩擦阻力可以通過(guò)減小船體濕表面積、改變與船體濕表面相接觸的流體屬性等手段（如微氣泡減阻[1]等）進(jìn)行；減小粘壓阻力主要通過(guò)改進(jìn)船體外形[2]進(jìn)行。興波阻力隨航速的增加急劇增大，對(duì)于排水型高速船，興波阻力占總阻力的比重達(dá)50%以上，所以降低總阻力的重點(diǎn)在于減小興波阻力。減小興波阻力主要有船型優(yōu)化技術(shù)[3]、球鼻艏技術(shù)[4]和消波水翼技術(shù)[5]等。其中，球鼻艏技術(shù)應(yīng)用在船長(zhǎng)弗勞德數(shù)小于0.35的低速船或中低速船上能產(chǎn)生較好的減小興波阻力效果，但對(duì)高速船較難取得減阻效果；消波水翼減小興波阻力的效果只有在船長(zhǎng)弗勞德數(shù)大于0.6的極高速航行工況下才能體現(xiàn)。目前排水型高速船的長(zhǎng)度弗勞德數(shù)基本處于0.4至0.5之間，在船型優(yōu)化后，進(jìn)一步采用上述減阻技術(shù)難以取得令人滿意的減阻效果，因此迫切需要突破高航速減阻的關(guān)鍵技術(shù)。

船舶在有風(fēng)浪的海況中航行時(shí)，船體不可避免地會(huì)產(chǎn)生左右橫向搖擺、艏艉縱向搖擺、垂向震蕩以及過(guò)大的加速度等，這些船體運(yùn)動(dòng)相互耦合，再疊加風(fēng)浪的作用，船舶會(huì)出現(xiàn)艏部上浪、甲板淹濕、艏部砰擊和人員暈船等現(xiàn)象，對(duì)船舶的航行安全性、人員的舒適性和船上設(shè)備裝備的工作效能發(fā)揮都產(chǎn)生不利影響。為改善船舶的適航性，人們提出了安裝舭龍骨[6]、減搖鰭[7]和減搖水艙[8]等減搖措施。發(fā)展至今，船舶減橫搖研究方向已有成熟的技術(shù)和產(chǎn)品大量應(yīng)用于實(shí)船，相比之下減縱搖的研究進(jìn)展較為緩慢。挪威科技大學(xué)的Eirik Bockmann 等[9]開(kāi)展了在油船船艏水線面以下設(shè)置固定鰭來(lái)減小船體在波浪中的垂蕩和縱搖響應(yīng)的研究；哈爾濱工程大學(xué)的李積德、孫樹(shù)政研究團(tuán)隊(duì)[10-12]開(kāi)展了減小船體縱搖響應(yīng)的半潛體加首鰭的減搖組合附體技術(shù)研究。

綜合而言，在減阻方面，目前針對(duì)船長(zhǎng)弗勞德數(shù)在0.4 至0.5 之間的船舶減阻難以取得較大突破；在減縱搖方面，現(xiàn)有的船舶減縱搖技術(shù)尚需進(jìn)行深入研究。且現(xiàn)有的減阻技術(shù)幾乎不會(huì)產(chǎn)生減搖的效果，減搖技術(shù)也幾乎不會(huì)產(chǎn)生減阻的效果，即船體減阻技術(shù)和減搖技術(shù)是相互獨(dú)立的。

本文在前期提出的具有減阻效果的船艏平板附體技術(shù)[13]基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究。針對(duì)其艏部抨擊和噴濺現(xiàn)象進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提出集減阻減搖于一體的新型三維船艏附體技術(shù)。以某高速船為研究對(duì)象，根據(jù)船模在0.41、0.45、0.494三種弗勞德數(shù)下的船艏興波現(xiàn)象模擬計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行新型三維船艏附體方案的設(shè)計(jì)。數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)結(jié)果表明該三維附體具有良好的高航速減阻、減搖效果。本文的研究可為進(jìn)一步改善高速船舶的快速性和耐波性提供新的技術(shù)手段。

1 研究對(duì)象及新型船艏附體設(shè)計(jì)

1.1 研究對(duì)象

本文以某高速船模為研究對(duì)象，為方便數(shù)值模擬計(jì)算與船模試驗(yàn)，本文取用縮尺比為1:24.824的船模來(lái)開(kāi)展研究，船模如圖1所示，模型參數(shù)如表1所示。

表1 某高速船模的主要參數(shù)Tab.1 Main particulars of a high-speed ship model

圖1 研究對(duì)象Fig.1 Research object

1.2 船模興波的CFD計(jì)算

1.2.1 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

為了對(duì)某高速船模興波波形進(jìn)行分析，采用STAR-CCM+軟件對(duì)其開(kāi)展數(shù)值計(jì)算。本文計(jì)算中，采用求解RANS 方程，并引入RNGk-ε湍流模型來(lái)處理湍流問(wèn)題。為了考核數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格參照第22 屆ITTC 推薦規(guī)程中的加細(xì)比進(jìn)行加密，即網(wǎng)格的基礎(chǔ)尺寸按 2 加密，其它參數(shù)保持不變，劃分了三套單元總數(shù)分別為132萬(wàn)、252萬(wàn)及536萬(wàn)的網(wǎng)格，計(jì)算了船模在三套網(wǎng)格下三種不同速度的總阻力、船體升沉與縱傾。圖2 為三套網(wǎng)格下船模表面的網(wǎng)格劃分情況，圖3顯示了在方案2 下針對(duì)水線長(zhǎng)5.72 m 的船模非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分情況，計(jì)算網(wǎng)格在船體艏部區(qū)域和自由面附近區(qū)域進(jìn)行了加密處理。表2為不同的網(wǎng)格方案。

表2 網(wǎng)格方案Tab.2 Mesh schemes

圖2 船模表面網(wǎng)格劃分情況Fig.2 Surface grid of ship model

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.3 Meshes of calculation region

1.2.2 網(wǎng)格收斂性分析

船模在三套網(wǎng)格下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示，其中航速為3.371 m/s（長(zhǎng)度弗勞德數(shù)為0.45）時(shí)，三種網(wǎng)格方案下船?？傋枇r(shí)歷曲線如圖4所示。

表3 三套網(wǎng)格方案下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of numerical results under three mesh schemes

圖4 航速為3.371 m/s時(shí)船?？傋枇r(shí)歷曲線Fig.4 Time history of the total resistance of the ship model when the speed is 3.371 m/s

從圖4 可看出，方案1 與方案2、3 的總阻力計(jì)算結(jié)果有較大偏差，方案2 與方案3 的計(jì)算結(jié)果相近。相鄰兩套網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的每個(gè)航速下計(jì)算得到的總阻力R之差用εRG表示，即

收斂率RG的計(jì)算公式為

類似地，升沉和縱傾采用相同的方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

從表4 可看出，0＜RG＜1，三套網(wǎng)格為單調(diào)收斂的。結(jié)合圖4中的總阻力時(shí)歷曲線，在后續(xù)數(shù)值模擬中均采用方案2的252萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

表4 收斂率計(jì)算結(jié)果Tab.4 Results of convergence rate

1.3 新型船艏附體設(shè)計(jì)思想

文獻(xiàn)[13]中安裝二維平板式附體的船模在靜水中拖曳速度較低時(shí)浸入水中，拖曳速度較高時(shí)，附體隨船艏抬升至水面，前方水流高速?zèng)_擊附體，形成向兩側(cè)和向后的噴濺水花，并且噴濺水花容易向上翻卷，同時(shí)這種二維平板式艏部附體隨船體在波浪中頂浪航行時(shí)，船體的縱搖運(yùn)動(dòng)引起艏部附體垂向周期性穿入或者穿出水面，當(dāng)附體從水上穿入水面到水下時(shí)，附體平面對(duì)水面直接地拍擊，而附體從水下穿出水面到水上時(shí)，又會(huì)向上“舀水”，這些現(xiàn)象都是非常復(fù)雜的非線性水動(dòng)力現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 二維平板附體產(chǎn)生的復(fù)雜水流現(xiàn)象Fig.5 Complicated water flow phenomenon caused by two-dimensional flat plate appendage

本文采用新型三維船艏附體來(lái)引導(dǎo)經(jīng)過(guò)附體表面的水流，抑制附體側(cè)向擴(kuò)展的噴濺，降低附體垂向運(yùn)動(dòng)對(duì)水面向下的拍擊效應(yīng)和向上“舀水”的現(xiàn)象。具體的構(gòu)型方式是：附體的前端點(diǎn)繼續(xù)向前延伸，在船舶向前航行時(shí)能先期劃破水面，避免附體與船體同步觸水引起激烈的非線性現(xiàn)象；將附體的上表面按照引導(dǎo)水流流動(dòng)的方式，改型成前部尖瘦、中部鈍圓、尾部平滑過(guò)渡的三維曲面形狀，并與船體艏部外形相配合，靠近船體外表面的邊較高，從船體向外曲面的高度逐漸減小，從而避免附體從水下向上運(yùn)動(dòng)的“舀水”現(xiàn)象；將附體的下表面按照抑制噴濺和降低砰擊的方式，改型成既具有縱向曲率又具有橫向曲率的曲面形狀，精細(xì)調(diào)節(jié)附體下表面的曲率分布，使其具有優(yōu)良的水動(dòng)力外形。為了減小興波阻力，通過(guò)觀察裸船體在不同航速下的興波圖像（圖6），本文設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度約為船長(zhǎng)的十分之一、寬度約為船寬的三分之一、安裝在近水面附近的新型三維船艏附體，具體安裝位置如圖7所示。

圖6 裸船體在不同航速下的興波圖像Fig.6 Wavemaking images of a bare hull at different speeds

圖7 新型三維船艏附體安裝位置Fig.7 Installation position of the new three-dimensional bow appendage

2 船艏附體減阻減縱搖的CFD計(jì)算

2.1 減阻效果的數(shù)值計(jì)算

根據(jù)1.3節(jié)中理論研究的設(shè)計(jì)思路，基于5.72 m長(zhǎng)的某高速船模在弗勞德數(shù)0.45時(shí)的艏部興波現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了新型三維船艏附體。附體長(zhǎng)度方向的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為弗勞德數(shù)0.45 時(shí)船艏興波隆起點(diǎn)和波峰頂點(diǎn)，長(zhǎng)度為0.653 m；附體寬度方向的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為船體外表面和船艏興波最大寬度處，以保證附體能完全覆蓋船艏興波。為比較不同附體寬度對(duì)船模減阻效果的影響，構(gòu)思了兩種最大寬度分別為0.4 m、0.286 m 的附體，命名為A1、A2（參見(jiàn)圖8），兩種附體在船艏的安裝位置相同，保證船模靜浮時(shí)附體的下表面與水面重合。對(duì)設(shè)計(jì)的新型三維船艏附體開(kāi)展了減阻效果的數(shù)值模擬計(jì)算。

圖8 新型三維船艏附體Fig.8 New three-dimensional bow appendage

圖9給出了在速度為3.371 m/s（弗勞德數(shù)為0.45）的工況下，安裝新型三維船艏附體前后艏部興波的對(duì)比。

圖9 安裝船艏附體前后艏部興波對(duì)比Fig.9 Comparison of fore waves before and after the installation of bow appendage

由圖9可知，新型三維船艏附體具有抑制艏部興波波高和減小總阻力的效果。表5給出了在長(zhǎng)度弗勞德數(shù)分別為0.41、0.45、0.494 工況下，加裝艏部抑波減阻附體對(duì)總阻力、升沉和縱傾的影響。其中，升沉選取船體下沉為負(fù)，縱傾選取船體艉傾為負(fù)。

表5 模擬計(jì)算結(jié)果Tab.5 Simulation results

從表5 可以看出，同裸船體相比，加裝艏部抑波附體使總阻力最多減少5.03%，升沉減小，艉傾增加0.219°。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，加裝附體能夠有效抑制興波，減小船體總阻力。

2.2 減搖效果的數(shù)值計(jì)算

2.2.1 計(jì)算方法為進(jìn)行船舶波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，采用數(shù)值計(jì)算方法模擬船體在波浪中的運(yùn)動(dòng)，將波浪流動(dòng)作為兩相（水和空氣）流處理，自由液面為水與空氣的交界面，且將水和空氣都作為不可壓縮流體處理。利用VOF 波模型進(jìn)行空氣—水交界面上表面重力波的模擬，運(yùn)用邊界造波法，通過(guò)給定造波邊界處流體的五階速度和波面瞬時(shí)升高，實(shí)現(xiàn)在數(shù)值計(jì)算域中使用流體體積VOF 法對(duì)Stokes 五階波浪的精確模擬，同時(shí)借助6 自由度運(yùn)動(dòng)模型系統(tǒng)計(jì)算安裝不同外形艏部附體的船體在不同波長(zhǎng)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

方程的求解采用離散型迭代式數(shù)值計(jì)算方法，所建立的計(jì)算模型和計(jì)算域網(wǎng)格如圖10～11所示。

圖10 計(jì)算域與邊界條件Fig.10 Calculation region and boundary condition

圖11 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.11 Meshes of calculation region

進(jìn)行計(jì)算域網(wǎng)格劃分時(shí)，在保證不同尺寸的網(wǎng)格平緩過(guò)渡的前提下，沿波浪傳播方向要保證劃分足夠數(shù)量的網(wǎng)格，以避免數(shù)值阻尼引起波浪幅值的衰減，但在出口處的消波區(qū)可以加大網(wǎng)格尺寸，減少總體網(wǎng)格量；沿垂向自由面附近要保證劃分足夠數(shù)量的網(wǎng)格，以此精確地捕捉自由液面高度變化。

在數(shù)值模擬中，采用在入口邊界給定波動(dòng)速度的造波方法，并基于Stokes理論的五階近似對(duì)五階波建模。在計(jì)算域的出口處設(shè)置阻尼消波區(qū)，通過(guò)對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)施加阻力來(lái)產(chǎn)生波阻尼，消波區(qū)的長(zhǎng)度設(shè)置為波長(zhǎng)的1～2倍。按下式對(duì)該區(qū)域內(nèi)的流體質(zhì)點(diǎn)垂向速度做強(qiáng)迫衰減：

式中，μ(x,z)為衰減函數(shù)，可表示為

式中，xs≤x≤xe，zb≤z≤zfs，α為阻尼控制參數(shù)，腳標(biāo)s 和e 分別代表阻尼區(qū)沿x方向的起點(diǎn)和終點(diǎn)，b 和fs 分別代表沿z方向的底部和自由面。

2.2.2 減搖效果的數(shù)值計(jì)算

數(shù)值模擬得到的波浪環(huán)境如圖12所示。

圖12 波形模擬Fig.12 Waveform simulation

船模在波浪中的航速不宜過(guò)大，在計(jì)算中取航速為3.071 m/s，以波高為0.161 3 m 而波長(zhǎng)不同的規(guī)則波為模擬對(duì)象，數(shù)值計(jì)算中輸入波長(zhǎng)分別為3.432 m、5.72 m、6.864 m、8.008 m、9.152 m、11.44 m，波長(zhǎng)的選擇對(duì)應(yīng)了船體在波浪中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較為劇烈的共振區(qū)。計(jì)算工況和波浪參數(shù)設(shè)置如表6所示。

表6 計(jì)算工況與波浪參數(shù)Tab.6 Calculation conditions and wave parameters

根據(jù)上述計(jì)算方法，分別在6種波長(zhǎng)下對(duì)船模的波浪運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，船模在波浪中的運(yùn)動(dòng)云圖如圖13所示。

圖13 船模在波浪中的運(yùn)動(dòng)云圖Fig.13 Motion nephogram of ship model in waves

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得到船模在不同波長(zhǎng)的規(guī)則波中的縱傾和升沉?xí)r歷曲線如圖14～15所示。

圖14 縱傾時(shí)歷曲線Fig.14 Time history curve of pitching

圖15 垂蕩時(shí)歷曲線Fig.15 Time history curve of heave

由圖14～15可知，當(dāng)船長(zhǎng)波長(zhǎng)比為0.6（波長(zhǎng)為3.432 m）時(shí)，船模運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值較小，隨著波長(zhǎng)的增大，船模在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值逐漸增大，當(dāng)船長(zhǎng)波長(zhǎng)比增大到1.6（波長(zhǎng)為9.152 m）時(shí)，波長(zhǎng)對(duì)船模運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值的影響開(kāi)始減小。因此本文選取5.72 m、6.864 m、8.008 m和9.152 m 四個(gè)特征波長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

為了通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法模擬不同外形的新型船艏抑波附體減搖效果，系統(tǒng)計(jì)算了加裝新型三維船艏附體的船體在不同波長(zhǎng)環(huán)境下頂浪航行時(shí)的縱搖和垂蕩響應(yīng)幅值（如表7所示）。

表7 不同附體下船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值Tab.7 Response amplitude of hull with different appendages

表7 中計(jì)算結(jié)果顯示不同附體均具有一定的減搖效果，在兩組附體計(jì)算結(jié)果對(duì)比中附體A1 效果較為顯著。圖16～19 為相同計(jì)算時(shí)間段內(nèi)有無(wú)加裝附體A1 的船模在不同波長(zhǎng)環(huán)境中的縱搖和垂蕩時(shí)歷曲線對(duì)比。

圖16 加裝附體A1的船模在波長(zhǎng)為5.72 m時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.16 Motion responses of ship model with Appendage A1 at a wavelength of 5.72 m

圖17 加裝附體A1的船模在波長(zhǎng)為6.864 m時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.17 Motion responses of ship model with Appendage A1 at a wavelength of 6.864 m

圖18 加裝附體A1的船模在波長(zhǎng)為8.008 m時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.18 Motion responses of ship model with Appendage A1 at a wavelength of 8.008 m

圖19 加裝附體A1的船模在波長(zhǎng)為9.152 m時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)Fig.19 Motion responses of ship model with Appendage A1 at a wavelength of 9.152 m

從表7 和圖16～19 可看出，新型三維船艏附體在船長(zhǎng)波長(zhǎng)比為1～1.6 的范圍內(nèi)均有較好的減搖效果。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，新型三維船艏附體能夠減小船體在波浪中的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值，即新型船艏附體具有既減阻又減搖的效果。

3 船艏附體減阻減搖效果的模型試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)數(shù)值模擬，計(jì)算得到了新型三維船艏附體具有減阻減縱搖的效果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性和新型三維船艏附體的減阻減搖效果，本文對(duì)安裝有相同尺寸的附體船模進(jìn)行了靜水阻力拖曳試驗(yàn)及波浪中頂浪航行的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)測(cè)量試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為了對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值計(jì)算模型相同。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鞑牧蠟樗赡?，其模型如圖20所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷呐潘繛?49 kg，水線長(zhǎng)為5.72 m，為減小層流的影響，模型艏部裝有激流絲。減阻試驗(yàn)的試驗(yàn)速度分別為3.071 m/s、3.371 m/s、3.7 m/s（長(zhǎng)度弗勞德數(shù)分別為0.41、0.45、0.494），減搖試驗(yàn)的試驗(yàn)速度為3.071 m/s（長(zhǎng)度弗勞德數(shù)為0.41），試驗(yàn)水池造波波長(zhǎng)為5.72 m（波長(zhǎng)船長(zhǎng)比為1）。

圖20 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.20 Experiment model

模型試驗(yàn)所用的船艏附體尺寸與數(shù)值計(jì)算中的保持一致，材料為鋁合金。船模艏部標(biāo)記了附體的安裝高度標(biāo)線，以保證安裝位置精確無(wú)誤。船艏附體的安裝如圖21所示。

圖21 安裝在船艏的新型附體Fig.21 New appendage installed on the bow

模型試驗(yàn)在高速拖曳水池進(jìn)行[14]。試驗(yàn)水池長(zhǎng)510 m、寬6.5 m、水深5 m。傾角傳感器固定在模型艏部。垂向位移采用拉線式位移傳感器，測(cè)量點(diǎn)在重心處。阻力采用BLR-1拉力傳感器，拖曳點(diǎn)在重心處，拖曳角為0°。阻力的測(cè)量精度為0.2%，傾角的測(cè)量精度為0.01°，垂向位移的測(cè)量誤差小于1%。

3.2 減阻效果的模型試驗(yàn)結(jié)果

表8給出了加裝新型船艏附體前后總阻力在不同弗勞德數(shù)下的變化情況。本附體是針對(duì)高速船（弗勞德數(shù)0.45）而設(shè)計(jì)的，同裸船體相比，加裝附體的船模在弗勞德數(shù)分別為0.41、0.45的高航速下分別取得了6.21%、10.6%的減阻效果。

表8 加裝新型船艏附體前后總阻力變化Tab.8 Changes in total resistance before and after the installation of new bow appendage

2.1 節(jié)中數(shù)值計(jì)算得到弗勞德數(shù)為0.45 時(shí)的減阻效果為5.03%，產(chǎn)生這種差距的原因一方面是數(shù)值計(jì)算難以對(duì)附體附近的非線性水動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行精確模擬；另一方面是附體周圍存在水-氣混合流動(dòng)，尚需進(jìn)一步改善復(fù)雜兩相混合流動(dòng)的計(jì)算精度。從數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，新型三維船艏附體具有較好的減阻效果。

圖22～23分別給出了試驗(yàn)速度分別為3.071m/s和3.371m/s時(shí)，船模在加裝附體A1、A2前后的艏部興波圖像對(duì)比。對(duì)比試驗(yàn)圖像可知，艏部興波明顯被船艏附體抑制。興波被抑制后，一方面，興起波浪需要提供的能量耗散減少了；另一方面，興波引起的船體壓力分布被改變了，從而興波阻力得以下降。

圖22 船模速度為3.071 m/s時(shí)艏部興波對(duì)比Fig.22 Comparison of fore waves when the ship model speed is 3.071 m/s

圖23 船模速度為3.371 m/s時(shí)艏部興波對(duì)比Fig.23 Comparison of fore waves when the ship model speed is 3.371 m/s

3.3減搖效果的模型試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)加裝附體A1、A2 的船模開(kāi)展了規(guī)則波中頂浪航行的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，表9 給出了加裝新型艏部附體前后縱搖、垂蕩和艏部垂向加速度在不同試驗(yàn)速度下的變化情況。從表中可以看出，加裝船艏附體的船模在弗勞德數(shù)為0.41 的高速度下取得了48.14%的減縱搖及38.07%的降低垂蕩幅值的效果。2.2.2節(jié)中數(shù)值計(jì)算得到弗勞德數(shù)為0.41、船長(zhǎng)波長(zhǎng)比為1時(shí)，船艏附體A1、A2的減縱搖率分別為16.8%和9.20%，這種差距產(chǎn)生的原因是船模在波浪中的縱搖和垂蕩導(dǎo)致附體周期性出入水面，并伴隨有附體抨擊水面的現(xiàn)象，產(chǎn)生突加垂向運(yùn)動(dòng)阻尼，降低船體的縱搖和垂蕩響應(yīng)幅值。這種附體抨擊水面產(chǎn)生的顯著垂向運(yùn)動(dòng)阻尼在數(shù)值計(jì)算中難以精確模擬。

表9 加裝新型艏部附體降低船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的效果(波長(zhǎng)船長(zhǎng)比為1)Tab.9 Effects of installing new bow appendages on reducing ship motion responses

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)高速船舶新型減阻減搖技術(shù)開(kāi)展了深入研究，針對(duì)二維平板附體艏部抨擊和噴濺現(xiàn)象進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步提出了集減阻減搖于一體的新型三維船艏附體技術(shù)。以某高速船為研究對(duì)象，根據(jù)船模在0.41、0.45、0.494 三種弗勞德數(shù)下的船艏興波現(xiàn)象模擬計(jì)算結(jié)果，得到了兩種新型船艏附體方案。采用數(shù)值模擬方法對(duì)加裝新型三維船艏附體的船模進(jìn)行了各狀態(tài)下靜水阻力計(jì)算及在規(guī)則波中縱搖響應(yīng)的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明該附體具有減小高速船總阻力和降低船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的效果。通過(guò)船模試驗(yàn)對(duì)該附體減阻減搖的效果進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，在弗勞德數(shù)為0.41～0.494的高航速范圍內(nèi)，該附體減阻效果最多可達(dá)10.6%；在弗勞德數(shù)為0.41、船長(zhǎng)波長(zhǎng)比為1時(shí)，縱搖幅值、垂蕩幅值最多可分別減少48.14%、38.07%。

本文的研究為進(jìn)一步改善船舶阻力性能和耐波性提供了新的技術(shù)途徑。但是該附體在船體艏部突出的結(jié)構(gòu)較大，對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)中的艏部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)響應(yīng)還需開(kāi)展深入細(xì)致的理論和試驗(yàn)研究工作。