撞角球鼻艏形式和参数变化对阻力影响的研究

黄卫刚 姜治芳 邱辽原

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

1 引 言

球鼻艏是船舶设计的重要方面，设计优良的球鼻艏具有较好的减阻效果，能有效改善船舶运营的经济性。在船舶设计领域，常见的球鼻艏形式主要包括水滴形球鼻艏和上翘球鼻艏［1］等。在国内外现有的一些大型舰船上，出于布置需求，安装有水滴形球鼻艏，但这类球鼻艏的减阻效果不佳，有时反而会使船舶阻力增加［2-3］。高速船加装新型撞角节能球鼻艏是近年来国内外的前沿研究课题。这类球鼻艏具有近水面、大前伸的外形特征，既能满足类似于水滴形球鼻艏的设备布置需求，又具有良好的减阻效果，目前已得到广泛应用，例如，美海军的LHA-6两栖攻击舰和韩国海军的“独岛”号两栖攻击舰等均是采用撞角球鼻艏。

为确定撞角球鼻艏形式及参数变化对船舶阻力的影响，研究了球鼻艏形式和参数变化对阻力的影响。首先针对3个形式各异的球鼻艏型线方案开展了CFD计算和模型试验，结果表明，撞角球鼻艏具有较好的减阻效果。然后设计了8个主要参数各异的撞角球鼻艏型线方案，采用CFD技术分析了撞角球鼻艏的参数变化对兴波阻力的影响，并提出了一些可用于指导球鼻艏设计的结论。

2 球鼻艏形式对阻力影响的分析

2.1 球鼻艏形式分析

本文主要分析水滴形球鼻艏、上翘球鼻艏和撞角球鼻艏这3种球鼻艏形式。

水滴形球鼻艏主要是为了满足布置需求，其减阻效果并不明显。水滴形球鼻艏的外形类似于水滴（图1），其首端与首垂线之间的距离较小，垂向中心的高度与设计吃水间的比值也较小。

上翘球鼻艏是一种能取得较好减阻效果的球鼻艏（图2），其特点为：

1）球鼻艏首端与首垂线之间的距离大于2%设计水线长；

2）球鼻艏首端存在一定的上翘，首端离水面距离较近；

3）球鼻艏各剖面的垂向中心由首垂线起逐渐升高。

上翘球鼻艏是通过球鼻艏兴波与主船体兴波之间的相互干扰来减小兴波阻力。这种球鼻艏在傅汝德数Fn较高时的减阻效果比较明显。

撞角球鼻艏是一种正逐渐得到应用的球鼻艏形式（图3），不仅能满足布置需求，还具有明显的减阻效果。其特点为：

1）球鼻艏首端与首垂线之间的距离大于2%设计水线长；

2）球鼻艏首端的纵剖线和横剖线均类似于椭圆；

3）球鼻艏垂向中心线平行于基线。

撞角球鼻艏的减阻原理类似于上翘球鼻艏。当Fn较低时，撞角球鼻艏的减阻效果要优于上翘球鼻艏；当Fn较高时，撞角球鼻艏的减阻效果则稍劣于上翘球鼻艏。

2.2 球鼻艏形式对阻力影响的分析

2.2.1 不同形式球鼻艏型线方案设计

针对方形系数接近0.6、设计Fn接近0.3的单体船方案，设计出3套球鼻艏型线方案，如表1所示。

表1 不同形式球鼻艏方案的主要尺度Tab.1 Main dimensions of different bulbous bow schemes

2.2.2 兴波阻力计算及结果

兴波阻力计算软件适用于船舶各种水动力特性研究，并给出了波浪模式、压力分布等船体特征参数。因这一领域的技术比较成熟［4-7］，故本文将直接采用兴波阻力软件进行数值计算分析。计算兴波阻力主要采用势流计算法，即采用基于Dawson方法的二阶面源法计算势流，通过迭代法，能很好地满足自由液面的边界条件。Dawson方法其实就是在叠模绕流的基础上，采用慢船条件下的线性化理论。该方法比叠模线性法还要深入一步，在获得线性解后并没有结束计算，而是通过迭代不断重复该过程，直至迭代收敛，就可以得到完全非线性解。

本文采用兴波阻力计算软件计算兴波阻力系数Cw，为使各方案之间的计算结果具备可比性，采取下列措施控制网格划分对计算产生的影响：

1）流体域计算范围以及网格设置参数需保持一致；

2）球鼻艏影响区域的网格划分参数需保持一致。

球鼻艏引起的湿表面积差异小于1%，此时，各方案湿表面积差异对阻力的影响可忽略不计。因此，本文主要比较各方案的兴波阻力系数。4个球鼻艏方案的阻力计算结果如表2所示。

表2 球鼻艏多方案兴波阻力计算结果Tab.2 Wave coefficient calculation results of different bulbous bow schemes

在计算中，确定了各方案沿船体表面的兴波分布情况，如图4～图7所示。

根据表2确定的球鼻艏形式对兴波阻力系数的影响趋势如图8所示。

由图8 可知，当 Fn＝0.27～0.29 时，采用水滴形球鼻艏方案的兴波阻力最大，但随着Fn的增加，水滴形球鼻艏的兴波阻力系数逐渐接近于无球鼻艏方案的兴波阻力系数，这表明当Fn足够大时，水滴形球鼻艏会具备一定的减阻效果；当Fn＝0.27～0.29 时，无球鼻艏方案的兴波阻力系数介于水滴形球鼻艏、撞角球鼻艏与上翘球鼻艏的兴波阻力系数之间；当 Fn=0.27～0.29 时，采用撞角球鼻艏的方案A和采用上翘球鼻艏的方案B均具有良好的减阻效果。当Fn=0.29时，与无球鼻艏方案相比，撞角球鼻艏的兴波阻力系数约小7%。撞角球鼻艏与上翘球鼻艏的兴波阻力系数的变化趋势基本一致。

2.3 球鼻艏形式对阻力的验证性模型试验

为进一步验证CFD计算结果的可信度，并确定撞角球鼻艏的减阻效果，开展了球鼻艏形式对阻力的验证性模型试验（图9）。

由图9可知，当Fn=0.28时，撞角球鼻艏的减阻效果最好，上翘球鼻艏的减阻效果次之，两者之间的差异不大；当Fn=0.28时，撞角球鼻艏和上翘球鼻艏的剩余阻力系数比水滴形球鼻艏的剩余阻力系数约小9%，比无球鼻艏的剩余阻力系数约小20%。模型试验结果表明，撞角球鼻艏具有良好的减阻效果。

由图8、图9可知，CFD流场计算确定的无球鼻艏方案的兴波阻力比水滴形球鼻艏方案的小，模型试验确定的无球鼻艏方案的剩余阻力比水滴球鼻艏方案的大。出现这种情况的原因是：剩余阻力包括兴波阻力和粘压阻力两部分，无球鼻艏方案因首尾差异较大而导致粘压阻力较大，水滴形球鼻艏方案的粘压阻力又较小，因此在当前Fn（Fn=0.27～0.29）下，粘压阻力在剩余阻力系数中所占的比例便较大，此时就会出现兴波阻力较小而剩余阻力较大的情况。

3 撞角球鼻艏参数变化对阻力影响的分析

鉴于撞角球鼻艏具有良好的减阻效果，为进一步掌握球鼻艏参数变化对阻力的影响，开展了撞角球鼻艏的多方案设计，并用CFD方法进行了计算，初步确定了撞角球鼻艏参数变化对阻力的影响。

3.1 球鼻艏参数分析

球鼻艏的几何特征形状可以通过以下参数进行描述：

1）纵向长度比：即球鼻艏最前端至首柱的距离与设计水线长之间的比值；

2）相对浸深：球鼻艏中心或球鼻艏最前点或者最大宽度处距静水面的距离与吃水之间的比值；

3）宽度比：首柱处球鼻艏最大横剖面宽度与设计水线宽之间的比值；

4）面积比：首柱处球鼻艏横剖面面积与最大横剖面面积的比值；

5）体积比：球鼻艏增加的排水体积与设计排水体积之间的比值。

撞角球鼻艏的纵剖面和横剖面均类似于椭圆，此时，设计吃水、纵向长度比和宽度比一旦确定，其相对浸深、面积比和体积比也就得以确定。本文主要研究球鼻艏的纵向长度比与宽度比对阻力的影响。

3.2 球鼻艏宽度比对阻力的影响分析

以撞角球鼻艏方案A为基础，设计4个球鼻艏宽度比变化的方案，各方案的具体参数如表3所示。

表3 球鼻艏宽度比方案Tab.3 Different ratio of bulbous bow breath and waterline breath for bulbous bow scheme

球鼻艏宽度比的范围为 5.0%～10.2%，制定该范围的原因是：

1）球鼻艏的宽度比增加，会出现在抛锚时锚会撞到球鼻艏的情况。因此，从工程实现的可行性角度考虑，球鼻艏宽度比的上限应取10.2%；

2）球鼻艏宽度比的下限取5%，这是因为此时球鼻艏的体积已经很小，球鼻艏的减阻效果会较差。

针对这5个球鼻艏型线方案，开展了CFD计算，其结果如表4、图10所示。

表4 球鼻艏多方案CFD阻力计算结果Tab.4 The resistance calculation results of different bulbous bow schemes

由表4和图10可知，球鼻艏宽度比对兴波阻力系数存在着一定的影响，当宽度比为7.4%时，其兴波阻力系数最小；当宽度比为8.4%时，兴波阻力系数最大。当球鼻艏的宽度比变化范围为5%～10.2%，Fn＝0.27～0.29 时，球鼻艏宽度比的变化将导致兴波阻力系数的变化范围约小于5%。球鼻艏宽度比对兴波阻力系数的影响趋势不明显，出现这种情况的原因是，球鼻艏减阻效果在宽度方向存在非线性情况。

3.3 球鼻艏纵向长度比对阻力的影响分析

以撞角球鼻艏方案E为基础，设计了4套球鼻艏纵向长度比变化的型线方案，各方案的具体参数如表5所示。

球鼻艏纵向长度比的范围为2%～5%，确定该范围的原因为：根据设计经验，当球鼻艏纵向长度比为2%时，基本没有减阻效果，因此球鼻艏纵向长度比的下限取2%的设计水线长。球鼻艏若太长，会导致建造成本增加，影响船舶的经济性，考虑到工程的可行性，球鼻艏纵向长度比的上限取5%的设计水线长。

表5 球鼻艏长度比方案Tab.5 Different ratio of bulbous bow length to waterline length for bulbous bow schemes

针对这5个球鼻艏型线方案，开展了CFD计算，其结果如表6、图11所示。

表6 球鼻艏多方案CFD阻力计算结果Tab.6 The resistance calculation results of different bulbous bow schemes

由表6及图11可知，球鼻艏纵向长度比对阻力的影响较明显，本文研究的主船体方案具有可取得较好减阻效果的最佳纵向长度比。当前方案中减阻效果最好时的纵向长度比为3%。在Fn=0.27～0.29，球鼻艏纵向长度比变化范围介于 2%～5%之间时，当纵向长度比小于3%时，球鼻艏纵向长度比变化会导致兴波阻力系数的变化范围约小于7%；当纵向长度比大于3%时，球鼻艏纵向长度比变化会导致兴波阻力系数的变化范围约小于3%。

4 结 论

本文开展了球鼻艏形式和参数变化的多方案球鼻艏研究，得到了以下结论：

1）对于方形系数约为 0.6、 设计Fn接近0.3的常规单体船方案而言，撞角球鼻艏和上翘形球鼻艏均具有明显的减阻效果。当Fn=0.28时，撞角球鼻艏的剩余阻力系数比水滴形球鼻艏的剩余阻力系数约小9%，比无球鼻艏的剩余阻力系数约小20%。

2）CFD计算结果表明，撞角球鼻艏的宽度比和纵向长度比均对兴波阻力系数具有一定的影响，并且纵向长度比对兴波阻力系数的影响更明显。

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