某中高速渔政船附体阻力性能分析

方先进，朱仁传，徐文珊，赖海清

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240； 2.广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250)

某中高速渔政船附体阻力性能分析

方先进1,2，朱仁传1，徐文珊2，赖海清2

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240； 2.广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250)

考虑到圆舭型渔政执法船因船型特点及航行性能改善需要设置舭龙骨、压浪板等附体，而这些附体对船体的总阻力具有较大的影响，采用Fine/Marine对该渔政船裸船体及带各类附体时的总阻力进行模型数值模拟计算，对比计算结果与船模试验结果，验证计算方法的可靠性及各类附体对总阻力性能的具体影响。

渔政船；船舶阻力；舭龙骨；压浪板

对渔政执法船来说，快速性直接影响执法能力。影响快速性的重要因素就是船舶的阻力性能，一般在设计初期要进行较为准确的预报并进行验证。目前，阻力计算预报方法主要有模型试验和数值计算模拟两种途径。船模试验因周期较长、费用较高、难以得到详细的局部流场信息，同时也不可能对所有附体都分别进行分析，具有较大的局限性。随着计算流体动力学(CFD)理论和硬件技术的发展，利用数值方法进行阻力预报日益受到重视[1]。

渔政执法船一般为圆舭中高速船，根据此类船型特点和改善航行性能需要，一般都会设置舭龙骨、压浪板等附体，这些附体将会对船舶高速航行时的外部流场产生不同的影响，进而影响船体总阻力[2]。目前在水池阻力测试试验中，一般只做裸船体和加所有附体2种工况。但对于设计优化来说，需要了解各个附体所引起的流场和阻力具体变化，以便分别进行改进设计。为此，考虑采用船舶海洋水动力性能分析专门软件Fine/Marine，在模型尺度对某渔政船裸船体及带舭龙骨、压浪板各类附体时的总阻力分别进行数值模拟计算。将裸船体计算结果与船模试验测得的总阻力进行比较，验证该预报方法的可靠性。将带附体模拟结果分别与裸船体模拟结果对比，研究各类附体对流场和总阻力性能的具体影响。通过网格细化和增加边界层，捕捉舭龙骨、压浪板等薄片附体的影响，将其作为前期进行此类薄片附体分析和优化的手段。

1 数值方法及网格划分

1.1 数值计算方法

在Fine/Marine中进行阻力数值模拟也是以多相流为基础，在一个长方体数值模拟水池中进行的。求解器ISIS-CFD采用非结构动网格技术模拟多相流的流场结构[3]，在计算过程中求解的不可压黏性流质量和动量控制方程为

(1)

(2)

式中：t为时间；ρ为密度；V为控制体；S为围成控制体的面积；Ud为S上n方向的速度；U和p分别为速度和压力；Ui为在xi坐标轴方向上的平均速度分量；τi和gi分别为黏性应力张量和重力矢量；Ii和Ij分别为方向向量；ci为i相流体的体积分数。

计算采用的湍流模型为SSTk-ω模型，求解过程采用直接求解三维黏性不可压多相流体的雷诺平均方程的方法[4]。微分方程的离散采用隐式有限体积法，具有二阶空间和时间精度。动量方程离散采用GDS格式，自由液面处理采用自由液面捕捉法，与自由液面追踪法相比，具有更好的灵活性和适应性，可较好地处理破碎波等复杂的自由液面，采用可压缩性的离散格式，减小自由液面的数值耗散问题[5]。

1.2 分析模型及网格划分方法

某中高速渔政船400 t级主要参数：总长56.0 m，垂线间长50.2 m，型宽7.8 m，型深3.85 m，设计吃水2.7 m，水池试验时的船模缩尺比为1∶11.513。计算模拟时按照水池模型试验的试验环境进行建模和边界条件设置(包括模型尺寸、计算域尺寸、水温、重心位置等)，并结合中高速船航行特点进行网格划分，引入多自由度耦合计算，同时考虑航行纵倾和升沉带来的阻力影响。考虑到计算域的对称性，为节省计算资源，按半船进行建模、网格划分和计算。

计算水池长24.3 m、宽9.723×2 m、高9.723 m，水深7 m。采用Fine/Marine中的全六面体非结构网格生成器HEXPRESS进行网格划分。该网格生成器采用由体到面的网格生成技术，在物面附近网格被适当化并投影到物面上，从而形成贴体网格。在网格生成过程中，为确保网格质量及网格的合理分布，在自由液面处设置网格加密区，实现对自由液面的精确捕捉[6]。

2 数值计算及结果分析

2.1 裸船体阻力计算和验证

网格总数约80万，具体划分情况见图1。

按照水池试验航速范围对应实船8～20 kn范围内，每间隔1 kn进行船体总阻力模拟计算，计算结果及与水池试验对比见表1。

由表1可见，数值模拟和水池试验总阻力结果在总体趋势上基本一致，误差都在10%以内。

图1 网格划分情况

实船航速Vs/kn模型航速Vm/(m·s-1)Fr试验阻力/N升沉/m纵倾/(°)模拟阻力/N误差/%81．2130．18310．6830．2820．00210．979-2．767101．5160．22917．6290．2800．00316．8734．288121．8190．27525．3980．2770．00423．8975．909142．1220．32036．0130．2730．00632．6529．333162．4260．36654．1320．2690．00749．7198．152182．7290．41292．9790．2630．00084．8978．692192．8800．435115．7580．261-0．005105．4778．881203．0320．458137．1240．260-0．010122．48310．678

但总体来看，数值计算的结果普遍低于水池试验结果，并且随着航速的增加，误差逐渐呈增大的趋势。分析原因可能是水池试验时在船艏部增加了激流丝，而数值模拟时采用默认的壁面粗糙度。

自由液面波形对比见图2。

图2 自由液面波形图

2.2 舭龙骨阻力性能分析

本船在6～14站之间设置舭龙骨，实船尺度宽度为350 mm。按照缩似比换算后，实际模拟模型宽度为30.4 mm。按照以上尺度建立模型后进行网格划分，见图3。

图3 舭龙骨网格划分

在原裸船体上增加舭龙骨后进行数值模拟，其总阻力结果与原裸船体总阻力对比如表2。

表2 带舭龙骨与裸船体阻力对比

由表2可见，增加舭龙骨后全船的总阻力会相应增加[7]，在设计航速附近增加值约5%。另外，随着航速的增加，由于舭龙骨引起的阻力增加值也会逐渐增大，但阻力增加值在总阻力中所占的比例逐渐减小。初步分析认为，在舭龙骨设计方案合理的情况下，不会对船体表面的压力分布和兴波产生较大的影响，对总阻力的影响主要是相应增加船体的摩擦阻力。

2.3 压浪板阻力性能研究

本船在艉封板下边缘2.59 m半宽范围内设置艉压浪板，压浪板宽度为600 mm。按照缩似比换算后，实际模拟模型半宽范围为225 mm，压浪板宽度为52 mm。按照以上尺度建立模型后进行网格划分，见图4。

图4 艉压浪板网格划分

根据压浪板设置特点，针对压浪板进行阻力性能分析。经过数值计算总阻力与裸船体对比如表3。

表3 带压浪板与裸船体阻力对比

由表3可见，在尾部设置压浪板后全船的总阻力会适当减小[8-9]，在设计航速附近的阻力减小至可达约5%。另外，在一定航速范围内，随着航速的增加，由于艉压浪板引起的总阻力减小值也会逐渐增大，并且阻力减小值在总阻力中所占的比例也逐步增大。初步分析认为：合理地设置艉压浪板可有效降低船体总阻力；在一定范围内随着航速增加降阻效果更明显，说明由于设置艉压浪板引起的摩擦阻力增加值很小，同时可较大幅度地降低船体的兴波阻力。

3 结论

模型尺度下采用Fine/Marine数值模拟的总阻力结果与水池试验相比，误差可控制在10%以内。但由于数值模拟时采用默认的壁面粗糙度，数值计算的结果普遍低于水池试验结果；在Fine/marine中通过网格细化和增加边界层，在数值模拟中可捕捉到舭龙骨、压浪板等薄片附体的影响；舭龙骨在设计合理的情况下，不会对船体周围流场产生较大的影响，主要增加摩擦阻力，研究目标船在设计航速附近增加值约为5%；此类船舶在尾部设置压浪板可有效降低船舶的总阻力，研究目标船在设计航速附近降阻可达5%左右。

通过对计算结果的分析，得出结论如下。

1)采用SSTk-ω湍流模型对Fr在0.2～0.4范围内的中高速快艇进行阻力性能数值计算是可行的，预报精度满足工程设计初期的要求，仿真计算可捕捉到压浪板、舭龙骨等局部附体的流场信息，可作为中高速快艇设计初期线型设计与优化的重要手段。

2)关于典型附体对船体阻力性能的分析结果具有一定的代表性，可作为此类中高速快艇附体设计的参考。但同一附体形状、角度等参数对阻力的影响情况未做深入分析，还需在后续工作中做进一步研究。

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Analysis Appendix Resistance Performance for Fishery Administration Vessel

FANG Xian-jin1,2, ZHU Ren-chuan1, XU Wen-shan2, LAI Hai-qing2

(1.School of Naval Architecture Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250, China)

Due to the characteristics of hull form and the need to improve the navigation performance, round bilge type fishery administration vessel will generally set appendages on the hull body, such as bilge keel and spray strip, which have a greater effect on the total resistance. By using Fine/Marine software, the total resistance of a fishery administration vessel was calculated about the naked hull and attached body in the model scale. The prediction method was verified by comparing the calculated results with the experimental ones. The effect of appendages on total resistance was studied.

fishery administration vessel; ship resistance; bilge keel; spray strip

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.001

2016-05-10

广东省科技计划项目(2015B090901051)

方先进(1984—)，男，学士，工程师

U661.33

A

1671-7953(2016)06-0001-04

修回日期：2016-06-07

研究方向:船舶总体设计与管理

E-mail:fxj144652@126.com