肥大船型艏型改变对性能的影响

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(武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

船艏舭涡是影响全船粘压阻力的一个重要因素。艏部舭涡由船侧水流绕向船底而成，主要取决于艏部形状。船艏舭涡形成了船艏底部低压区，这将导致粘压阻力增加。破波阻力是由进流段满载水线附近过分阻塞而形成，属于兴波阻力中的一部分。埋艏现象主要是因为进流段舭部曲率过大造成的，同样会导致粘压阻力增加。值得注意的是破波阻力和艏部舭涡的存在都直接影响着进流段的水动力性能。本文主要探讨肥大船型在改型前后船艏舭涡、压力分布、艉部伴流的变化情况。

1 艏型修改

1.1 原型简介

某江海直达集装箱船主尺度见表1，其方形系数为0.8，属于肥大船型。

表1 实船主尺度

1.2 原型及改型的三维模型

以母型为依据，进行艏型的局部改变，但是在改型中必须保证浮心位置、静水力等特性与原型没有太大变化[1]。

S形球鼻艏是肥大船型常用的艏型之一[2]，艏型1的变化主要是采用S形球鼻艏。艏型2主要目的是改善船艏舭涡。艏型3则是从改善艏部砰击这一角度出发，进行的改型。其中艏型2和艏型3都适当的减小了进水角。

原型艏型及改型后的艏部三维模型见图1。

图1 艏部三维模型

对原型的改变不能影响浮心位置太多，所以在艏型改变的同时必须实时查看艏型的横剖面曲线，不能与原型有太大的出入。

另外在艏部线型设计中还要注意到:由于浮心靠前,进流段短,水线前端应设计成直线或微凸形,且曲率变化要均匀。设计水线以上一段高度要尽量保持设计水线的宽度,不能过度放宽以免堵水[3]。

2 数值模拟结果分析

2.1 计算模型的建立及边界条件设置

计算模型采用叠模，缩尺比为1/26，计算域为：船前方向1倍船长，船宽方向1倍船长，船底方向1倍船长，船艉方向4倍船长。见图2。

图2 计算域

模型网格大约100万，船体附近的近域采用四面体网格，其余的远域采用六面体网格，其中船体周围网格需要加密，尤其是船艏和船艉部分，由于计算的目的是获得伴流的信息，因此在桨盘面附近的网格也需要加密。

边界条件的设置：设置入口为速度入口，为1.1 m/s，设置出口为自由出流，船体表面为固壁，计算域内部的面为通透面，其余面为对称面。

Fluent的湍流模型包括k-ε模型，k-ω模型、Reynolds应力模型，LES模型，标准壁面函数，双层近壁模型等[4]。本文全部采用SSTk-ω模型进行计算。

2.2 标称伴流比较

由于伴流的存在，使螺旋桨与其附近水流的相对速度和船速不同。通常指的伴流为船艉装螺旋桨处即桨盘面的实效伴流。

由于本次计算中，计算模型在桨盘面位置并没有螺旋桨模型，所以这里的伴流均指标称伴流。

2.2.1 伴流分数的计算

本文中只对轴向伴流进行分析。

一般情况下轴向平均伴流采用体积积分法进行计算。 在fluent软件中计算原理与体积积分法类似。可以在桨盘面位置划出一个桨盘大小的切片，对该切片的X方向速度进行积分求和，便可以求得该切片的X方向总速度ux，然后除以面积便是伴流的平均速度，公式表达如下。

(1)

式中：ux——桨盘面积分出来的总速度，m/(s·m2)；

As——桨盘面面积，m。

轴向伴流分数通常用伴流速度与船速的比值来表示，公式如下。

(2)

式中：Vx——各点轴向速度；

V——船速。

2.2.2 伴流的不均匀性

伴流的不均匀性对螺旋桨的推力、转矩、效率等都有影响，甚至会影响船体艉部的振动，因此在船舶改型中除了获得一个较理想的伴流分数外，还要考虑到伴流的不均匀性，应尽量获得一个较为均匀的伴流场分布。

速度为1.1 m/s时，4艘模型计算出来的伴流分数和伴流分数等值线见图3。

图3 伴流分数和伴流分数等值线

为了进一步分析比较各个艏型对伴流均匀度的影响，将0.8R处的标称伴流分数沿周向作成曲线，见图4。

图4 0.8R处伴流分数沿周向变化曲线

由图4可见,各个模型计算所得的伴流分布情况变化较小，相对而言，艏型1的伴流分数虽然不是最高但伴流均匀度有所改善，而艏型3的伴流分数稍微变大。

2.3 压力分布比较

船艏型改变对船体压力分布的影响，可能影响船体的粘性阻力，而江海直达船型属于低速肥大船型，粘性阻力是其阻力成分的重要组成部分，对船型压力分布的分析有利于在后续研究中进一步进行减阻研究。压力分布见图5。

图5 压力分布

可以看出，改型1的压力分布较原型没有明显改变，而艏型2和艏型3则有明显的改进，具体原因可能是艏型2和艏型3的艏部曲度变化比较缓和，以及进水角相对改小。而压力的改善可能会带来粘压阻力的改善。所以艏型2和艏型3较优。

2.4 阻力系数比较

计算不同速度下原型与改型的阻力，图6、7给出了阻力系数的计算结果。

图6 粘性阻力系数曲线

图7 粘压阻力系数曲线

由计算结果对比可以发现，4艘模型(包括原型)中艏型2和艏型3较原型粘性阻力系数(由于采用叠模，FLUENT里面的总阻力不含兴波成分，就是实际中的粘性阻力)和粘压阻力系数都有所降低，而艏型1粘压阻力系数较原型有所增大。从阻力角度出发，艏型2较好。

从以上几点可以看出，改型后的模型各方面性能都得到了不同程度的改善。比如艏型2和艏型3的舭涡、动压分布、粘压阻力都得到了改善，其中艏型2改善最为明显。

3 结论

1)肥大船型艏型的改变对船艉伴流分数以及伴流分布都有一定影响，但影响不大。

2)经过分析比较，从改善舭涡、粘性阻力的角度出发，艏型2的效果比较明显。

3)适当减小进流角，并采取措施避免舷侧水向船底绕流，可以有效改善艏部舭涡现象。

4)艏型2与艏型3的动压分布都得到了明显的改善。

[1] 王言英.基于阻力性能船体型线精细优化的CFD方法[J].大连理工大学学报, 2002(3): 127-133.

[2] 彭 力，陈顺怀.基于肥大船型球鼻首的参数化设计[J].船舶工程,2008(2):27-31.

[3] 陶秋霞.万吨级江海直达肥大型散货船线型优化设计[J].船海工程,2009(6):1-5.

[4] 王国强，盛振邦.船舶推进[M].上海：上海交通大学出版社，1984.