加装舭龙骨对千吨级深V船型静水阻力和横摇运动的影响

傅江妍，陈炜，葛慧晓，陈韬颖

加装舭龙骨对千吨级深V船型静水阻力和横摇运动的影响

傅江妍，陈炜，葛慧晓，陈韬颖

中国舰船研究设计中心，上海201108

为改善深V船型在低速下的横摇，以千吨级深V船型为研究对象，研究在其舯部减摇鳍前、后位置加装舭龙骨对其静水阻力和横摇运动的影响。首先，通过数值模拟计算对深V船型无舭龙骨方案、加装舭龙骨的各个方案的耐波性进行比较，掌握舭龙骨距离折角线不同安装位置和不同舭龙骨宽度对深V船型横摇运动的影响。然后，根据数值计算结果考虑工程可实施性，以大舭龙骨宽度、等舭龙骨面积及不同安装角度设计这3个舭龙骨方案完成横摇衰减试验并优选出1个舭龙骨方案。最后，对该优选方案开展静水阻力试验和不规则波中的运动响应试验。试验结果表明，千吨级深V船型加装舭龙骨后，其静水阻力增加量不大于5%，减摇效果达30%以上。

深V船型；舭龙骨；耐波性；船舶阻力

期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：傅江妍，陈炜，葛慧晓，等.加装舭龙骨对千吨级深V船型静水阻力和横摇运动的影响［J］.中国舰船研究，2015，10（5）：22-26.

FU Jiangyan，CHENWei，GEHuixiao，etal.Effectsofbilge keelon aone-thousand-ton deep-veemonohullwith calm water resistance and rollingmotion［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（5）：22-26.

0　引言

近几十年来，一批新型高性能船型相继问世，比较具有代表性的有小水线面双体船（SWATH）、穿浪双体船、多体船和深V船等［1］。1971年，瑞士日内瓦水动力研究所提出了深V船型的概念［2］，该船型能减小船体底部所受的波浪力，增大船体的纵向运动阻尼，起到减小船的纵摇、升沉和垂向加速度，以及降低砰击概率和上浪次数的作用，使得船的耐波性和航向稳定性明显提升，在风浪中能保持较高的航速［3-4］。上世纪90年代后期，国内多家单位对深V船型进行了深入研究。邵世明等［5-6］研究了横向斜升角对深V船型静水阻力的影响，通过模型试验，对深V船型和圆舭船型的阻力与耐波性能进行了比较，发现深V船型的静水阻力性能略有下降，而耐波性能则得到了明显提升。张建滨［7］开发了600吨级深V型半潜艏（SSB）船型，在阻力性能基本不变的前提下实现了耐波性的大幅提升。张恒等［8-9］对安装减摇组合附体的深V复合船型进行了研究，通过选择合理的附体尺度和良好的水动力布局，在静水低速阻力性能略有下降的情况下实现了耐波性的极大提升。

深V船型的优良纵向运动性能得到了认可，但是其在低速下的横摇却无明显改善。

针对这一问题，本文拟开展深V船型加装舭龙骨的相关研究工作。本文将以千吨级深V船型为研究对象。首先，通过数值模拟计算，比较无舭龙骨方案、加装舭龙骨的各个方案对深V船型耐波性的影响。然后，根据数值计算结果考虑工程可实施性，设计3个不同的舭龙骨方案，并通过横摇衰减试验优选出1个舭龙骨方案。最后，将对该优选方案开展静水阻力试验和不规则波中的运动响应试验，以测试其阻力增加量和减摇效果。

1　数值模拟

1.1基本方程与湍流模型

船舶绕流场是高度复杂的三维流动，这主要是由于船的艏艉形状复杂，曲率变化大。湍流模型的选取对数值计算的精度具有直接影响［10］。本文采用RNG k-ε湍流模型进行模拟［11-12］。

直角坐标系下，不可压缩牛顿流体连续性方程与RANS方程为：

式中：ρ为密度；μ为流体粘性系数；p为平均压力；Fi为外力项；ui为时均速度为脉动速度；脉动速度相关项-ρu′iu′j称为雷诺应力。

本文采用的RNG k-ε模型是标准k-ε模型的改进形式，它修正了湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，增加了反映主流的时均应变率［13］，该模型是一种适合船舶流场计算的湍流模型。其湍流动能方程与耗散率方程详见文献［11］。

1.2横摇阻尼数值模拟

1.2.1计算模型

本文以某深V船型为研究对象，以舭龙骨距离折角线的位置及其宽度为变量，采用CFD软件计算不同方案的自由横摇，通过横摇角衰减的时历曲线计算不同方案的横摇阻尼，为模型试验加装舭龙骨方案的设计奠定基础。变量设计示意图如图1所示。

图1　舭龙骨设计变量示意图Fig.1　Sketch of the design variablesof bilge keel

模型建立至设计水线上一定高度处，其三维模型如图2所示。

图2　计算对象三维模型Fig.2　The 3Dmodelof computationalobject

1.2.2计算结果及分析

以舭龙骨距离折角线的安装位置为变量的方案如表1所示。计算得到舭龙骨宽度相同、安装位置不同的各方案的横摇衰减曲线如图3所示。

表1　安装位置距折角线不同距离的舭龙骨方案Tab.1　Bilge keelp rojectsw ith variant positions to knuck le line

图3　不同安装位置的横摇衰减曲线Fig.3　Roll attenuation curvesof differentpositions

由图3可知，安装于折角线位置的舭龙骨方案的横摇衰减最快，距折角线1 000 mm的舭龙骨方案的横摇衰减基本与原无舭龙骨方案相当。

接下来，将折角线安装位置固定，以舭龙骨宽度为变量进行计算。舭龙骨宽度的变化范围为300～700 mm。计算得到安装在折角线位置、不同宽度的舭龙骨方案的横摇衰减曲线如图4所示。

图4　不同舭龙骨宽度的横摇衰减曲线Fig.4　Roll attenuation curves of differentbilge breadth

由图4可知，加装舭龙骨后所有方案的横摇衰减均比原无舭龙骨方案快，而300，325和350 mm这3个方案的横摇衰减曲线无明显区别，说明舭龙骨宽度增加量在50mm以内对横摇衰减曲线的影响不大。而300，500和700mm这3个舭龙骨方案的横摇衰减有明显区别，且随着舭龙骨宽度的增加，横摇衰减越来越明显。

根据上述结果可以得知：

1）舭龙骨的安装位置距离折角线越近，横摇衰减越快；

2）舭龙骨宽度越宽，横摇衰减越快。

2　水池模型试验

2.1模型试验方案

根据上述数值计算结果，考虑工程可实施性，加装舭龙骨的横向安装位置尽量靠近折角线，在顺折角线往下150 mm处，安装V型双层腹板空心舭龙骨，舭龙骨横剖面安装示意图如图5所示。

图5　舭龙骨横剖面安装示意图Fig.5　Sketch of transversal section ofbilge keel

按不同的舭龙骨宽度、纵向布置位置及安装角度，设计了3个舭龙骨方案。首先，进行耐波性优选模型试验，试验内容包括各方案的横摇衰减试验及规则波中零速横浪下的横摇运动响应试验。然后，再根据上述试验结果优选出1个舭龙骨方案，完成静水阻力试验及不规则波中的运动响应试验，以分析其水动力性能。

优选模型试验中的3个舭龙骨方案的主要尺度如表2所示，其中宽度为舭龙骨宽度值，纵向位置为舭龙骨沿船体纵向的安装位置区域，角度为舭龙骨与船底外板的夹角。

表2　3个舭龙骨方案的主要尺度Tab.2　M ain characteristicsof 3 bilge keelp rojects

模型试验在耐波性水池中进行，水池主尺度（长×宽×水深）为69 m×46m×4m，在水池相邻的两边布置了三维摇板式造波机，可模拟规则波、长峰不规则波和短峰波。

2.2优选试验

对方案1、方案2和方案3分别进行了静水中横摇衰减试验和规则波中零速横浪下的横摇运动响应试验，由于舭龙骨对横摇的影响主要在低航速段，因此试验时选取对应的实船航速分别为0，6，9，14和18 kn共5个航速。图6所示是平均横摇角为8°时各方案横摇阻尼系数的比较，图7所示为横摇运动响应函数的比较。

图6　横摇阻尼系数Fig.6　Rolldamping coefficients

图7　横摇运动响应函数Fig.7　Roll responses

由图6可知，所有加装舭龙骨方案的横摇阻尼系数和原无舭龙骨方案相比有明显的增大；在加装舭龙骨的3个方案中，方案3的横摇阻尼系数最大。由图7可知，在规则波中零速横浪下的横摇运动响应试验中，方案2在零速横浪下的横摇运动响应幅值略小于方案1，而方案3在零速横浪下的横摇运动响应幅值明显小于方案1和方案2。

通过以上分析可知，方案3的减摇效果最优，故将方案3作为优选方案。

2.3静水阻力模型试验

为研究优选方案的静水阻力性能，开展了原无舭龙骨方案和优选方案在静水中的阻力试验，2个方案各航速下对应的有效功率曲线如图8所示。

由试验结果可知，与原无舭龙骨方案相比，优选方案的阻力略有增加，对应实船设计航速，优选方案的静水阻力较原无舭龙骨方案增加了约4.3%。

图8　各航速下的有效功率曲线Fig.8　Variation ofeffective power PEwith respect to calm water speed Vs

2.4不规则波模型试验

为研究优选方案的耐波性能，开展了原无舭龙骨方案和优选方案在不规则波中的运动响应试验，以分析优选方案的耐波性能。

不规则波波谱采用ITTC双参数谱［14］进行模拟，其波浪谱密度为

式中：H1/3为有义波高；T01为波浪特征周期；ω为波浪圆频率。

实船与模型对应的有义波高H1/3和波浪特征周期T01如表3所示。

表3　实船有义波高与波浪特征周期组合Tab.3　Significantwave height H1/3and wave period T01for the real ship

在耐波性水池中完成不规则波的运动响应试验，对应实船试验海况为4级和5级海况，试验航速为0和14 kn，测量参数为横浪下对应航速的横摇、纵摇、垂荡及艏舯艉的垂向加速度。

表4列出了对应各个运动参数的优选方案与原无舭龙骨方案的比值，包含横摇、纵摇、垂荡、艏部1站垂向加速度、重心处垂向加速度和艉部19站垂向加速度的运动单幅有义值。

由表4可知，在4级和5级海况所试工况下，与原无舭龙骨方案横摇运动结果相比，零速横浪90°减摇百分比为32.7%～35.6%，14 kn横浪90o减横摇百分比为13.9%～24.3%。

表4　对应实船的耐波性结果对比表Tab.4　The contrastive resu ltsof the realship

3　结论

本文提出的千吨级深V船型加装舭龙骨方案达到了预期目标。根据上述数值模拟和模型试验结果可知：

1）千吨级深V船型舭龙骨的安装位置距离折角线越近，横摇衰减越快，舭龙骨宽度越宽，横摇衰减越快。

2）与原无舭龙骨方案相比，优选方案的阻力略有增加，对应实船设计航速，优选方案的静水阻力较原无舭龙骨方案增加了约4.3%。

3）4级和5级海况所试工况下，与原无舭龙骨方案横摇运动结果相比，零速横浪90°减摇百分比为32.7%～35.6%，14 kn横浪90°减摇百分比为13.9%～24.3%，横摇运动性能得到了大幅改善。

［1］赵连恩.高性能船舶水动力原理与设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.

［2］ 陈碧云，李文焱，俞燮.深V船型的开发研究［J］.舰船论证参考，1997（1）：8-19.

［3］SERTER E H.Deep-vee and round-bilge hull forms for naval applications and comparative investigation［J］.International Defense Review，1984，17（4）：462-465.

［4］KEHOE JW，BROWER K S，SERTER E H.The deep-vee hu ll form-im proves seakeeping and combat systemperformance［J］.Naval Engineers Journal，2009，99（3）：39-54.

［5］ 邵世明，王云才，王立琼，等.横向斜升角对深V型船的阻力影响［J］.上海交通大学学报，1995，29（5）：26-32.

SHAO Shim ing，WANG Yuncai，WANG Liqiong，et al.The effect of dead rise on resistance for deep-vee hu ll form s［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，1995，29（5）：26-32.

［6］ 邵世明，王云才，梁永超，等.深V型艇与圆舭型艇的阻力和耐波性比较［J］.上海交通大学学报，1996，30（12）：53-57.

SHAO Shim ing，WANG Yuncai，LIANG Yongchao，et al.The comparison of resistance and seakeeping between deep-vee and round bilge hu ll forms［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，1996，30（12）：53-57.

［7］ 张建滨.耐波型高速艇SSB船型流体动力性能研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，1996.

［8］张恒.高耐波性隐身单体复合船型的快速性优化［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

［9］张恒.单体复合船型水动力性能研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

［10］张志荣，李百齐，赵峰.船舶粘性流动计算中湍流模式应用的比较［J］.水动力学研究与进展（A辑），2004，19（5）：637-642.

ZHANG Zhirong，LI Baiqi，ZHAO Feng.The comparison of turbulence models app lied to viscous ship flow computation［J］.Journal of Hydrodynam ics（Ser. A），2004，19（5）：637-642.

［11］ 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［12］ 张师帅.计算流体动力学及其应用——CFD软件的原理与应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2011.

［13］DAWSON C.Calculations with the XYZ free surface program for five ship models［C］//Proceedings of the Workshop on Ship Wave-Resistance Computations. Maryland，USA，1979：232-255.

［14］ 陶尧森.船舶耐波性［M］.上海：上海交通大学出版社，1985.

［责任编辑：易基圣］

Effectsof bilge keelon a one-thousand-ton deep-veemonohu llw ith calm water resistance and rollingm otion

FU Jiangyan，CHENWei，GEHuixiao，CHEN Taoying
ShanghaiDivision，China Ship Developmentand Design Center，Shanghai201108，China

Deep-veemonohu ll can offset the wave strength at the bottom of the hu ll，increasing the pitch damping and improving the pitch，surge，and vertical acceleration，reducing the slamming and deck wetness，allofwhich lead to better longitudinal sea-keeping performance.However，the rollatslow speed does notshow any significant improvement.Aiming at the problem，fixing a bilge keelonto themidd le part of the deep-veemonohull could improve the seakeeping performance，especially the roll of the ship in waves.In this paper，a one-thousand-ton deep-veemonohull's hydrodynamic performanceswith different bilge keel projects are numerically simulated，which guides the design of bilge keel projects for model tests.Then，three actual projects are designed for model test，whose results of seakeeping model tests reveal that the best project has a resistance performance increment less than 5%，and the seakeeping performance，especially the roll of the ship，has a 30%improvement.

deep-veemonohull；bilge keel；seakeeping；ship resistance

U661.32

ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.004

2015-05-20网络出版时间：2015-10-8 11∶13

傅江妍（通信作者），女，1980年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰船总体研究与设计。E-mail：701sh@701sh.com

网络出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1113.032.htm l