基于COMSOL 的船體增阻板可行性分析

胡 健，黃鑫偉

（重慶交通大學(xué) 航運與船舶工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

船舶在船廠修建完畢后，會通過滑軌下水。在這一過程中，滑行過快或滑行距離過遠(yuǎn)均會造成安全隱患。目前，船廠主要通過拋錨增加下水船舶的阻力，但這會對錨鏈和船舶造成一定損傷，船舶也極有可能因錨鏈的拉扯而產(chǎn)生運動失控。針對特定情況下的增阻需求，薛琳等[1]和朱鵬飛[2]提出在船舷兩側(cè)安裝增阻板以增大船舶阻力?？紤]到雷諾平均N-S 方程能較好解決船體的綜合水動力問題[3-5]，本文采用RANS 法計算無增阻板和有增阻板等2種情況下的船舶阻力，探討增阻板的作用效果和機(jī)理，并分析流固耦合[6]作用下船體和增阻板的受力和位移情況。

1 船型與計算方法

本文計算模型為Wigley 船模，僅考慮水下增阻板的作用效果，船體參數(shù)見表1，計算工況設(shè)置情況見表2。

表1 船體參數(shù)

表2 計算工況

利用COMSOL 軟件對船體和水池進(jìn)行參數(shù)化建模，船模和水池的參數(shù)與參考文獻(xiàn)[7]保持一致，Wigley 船模和計算區(qū)域分別見圖1 和圖2。

圖1 Wigley 船模

圖2 計算區(qū)域

1.1 經(jīng)驗公式法

如式（1）和式（2）所示，通過國際拖曳水池會議（International Towing Tank Conference，ITTC）公式計算摩擦阻力因數(shù)，通過巴甫米爾近似公式求解黏壓阻力因數(shù)，最后通過阻力因數(shù)與阻力的換算關(guān)系得到阻力值。

式（1）和式（2）中：Cf為摩擦阻力因數(shù)；Cpv為黏壓阻力因數(shù)；Re 為雷諾數(shù)；Am為中橫剖面面積；S為濕表面積；Lr為去流段長度。

不同工況下船舶阻力經(jīng)驗值見表3。

表3 船舶阻力經(jīng)驗值

1.2 數(shù)值模擬

由文獻(xiàn)[7-9]可知，RNG k-ε湍流模型能較好地處理船體彎曲程度較大的流場，其得到的船舶阻力更符合實際情況。因此，本文在計算按時采用RNG k-ε湍流模型。

1.2.1 計算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

采用COMSOL 軟件生成網(wǎng)格，由于計算域具有高度對稱性，故選用計算域的一半用于研究。為便于劃分網(wǎng)格，將計算域分為12 個部分。網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方式，能在提高計算效率的同時得到真實值[7]。遠(yuǎn)離船體的計算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，船體及附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為得到增阻板實際的作用效果，對船體彎曲部位和增阻板的表面進(jìn)行細(xì)化處理。網(wǎng)格劃分情況見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分情況

1.2.2 仿真結(jié)果

為驗證數(shù)值模擬的可靠性，對不設(shè)增阻板的船體進(jìn)行阻力預(yù)報，結(jié)果見表4。壓阻力和黏性阻力的變化規(guī)律符合真實情況，黏性阻力的平均占比達(dá)81%。

表4 船舶阻力數(shù)值計算值

1.3 結(jié)果對比

經(jīng)驗值與模擬值對比情況見圖4，兩者具有較高的一致性，這說明COMSOL 軟件在船舶阻力估算方面具有一定的可靠性。

圖4 經(jīng)驗值與模擬值對比

2 設(shè)有增阻板船體的阻力預(yù)報

2.1 增阻板介紹

設(shè)有增阻板的船體模型見圖5，為提高建模效率和計算效率，本文在不影響增阻板效果的前提下 簡化增阻板，并保留一定的細(xì)節(jié)。增阻板采用結(jié)構(gòu)鋼，具體參數(shù)見表5。

圖5 設(shè)有增阻板的船體模型

表5 增阻板參數(shù)

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

以Fr=0.25 時的阻力值為指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，阻力值隨網(wǎng)格數(shù)量的變化關(guān)系見圖6。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在100 000 以上時，阻力趨于穩(wěn)定。

圖6 Fr=0.250 時的阻力值

2.3 增阻效果

水流繞過船體和增阻板后，其流速和壓力分布情況分別見圖7 和圖8。當(dāng)水流流經(jīng)增阻板和船體時，增阻板后方會產(chǎn)生旋渦，這會導(dǎo)致負(fù)壓區(qū)的出現(xiàn)，進(jìn)而增大船體阻力。

圖7 流速分布情況

圖8 壓力分布情況

由表6 和圖9 可知，在加裝增阻板后，船體所受阻力迅速增加。其中，壓阻力增長幅度快于黏性阻力，這是由于增阻板前后壓力的變化導(dǎo)致。當(dāng)Fr=0.45 時，阻力由4.937 N 增加至80.538 N，增阻率為1 531%，平均增阻率為1 463%，增阻效果良好。船體阻力的快速增加能有效避免下水船舶滑行過遠(yuǎn)或過快導(dǎo)致的通航安全問題。

表6 船舶阻力數(shù)值計算值（設(shè)增阻板）

圖9 增阻前后總阻力對比

2.4 應(yīng)力應(yīng)變分析

為確保增阻板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、船體結(jié)構(gòu)安全，計算不同工況下設(shè)有增阻板的船體在繞流場中的應(yīng)力和 變形情況。應(yīng)力云圖和位移云圖分別見圖10 和圖11，各工況的最大應(yīng)力和最大位移見表7。

表7 最大應(yīng)力及最大位移仿真結(jié)果

圖10 應(yīng)力云圖

圖11 位移云圖

由圖10 可知，增阻板與船體接觸的上邊緣受力最大，增阻板與船體連接部位應(yīng)力較大。隨著Fr增大，應(yīng)力值逐漸增大。建議對連接部位做加強(qiáng)處理，可考慮采用加強(qiáng)筋等措施緩解船體所受拉力。由圖11 可知，隨著Fr 增大，遠(yuǎn)離船體邊緣的增阻板外側(cè)位移逐漸增大，符合實際情況。當(dāng)Fr=0.45時，增阻板最大位移也僅為1.354×10-5m，故在一定工況內(nèi)，水流不會使增阻板變形過大。

3 結(jié)論

本文采用RANS 法探究增阻板的增阻效果，并分析流固耦合作用下增阻板的應(yīng)力和位移情況，可得到以下結(jié)論：

1）采用RNG k-ε湍流模型得到不同航速下船舶阻力變化規(guī)律，經(jīng)驗值與模擬值具有較高的一致性。

2）船舶安裝增阻板后，船模所受的阻力呈線性增加，增阻板在提高船舶阻力方面效果顯著，能有效限制船體滑行速度和距離，提高了船舶下水的安全性。

本文通過探討設(shè)置增阻板的可行性，分析不同航速下增阻板對船舶阻力的影響，研究成果可為特定情況下的船舶增阻研究提供一定參考。