截流板/尾楔对加装T型水翼的双体船阻力影响的数值计算

许慧洋 崔耀菲

摘    要：加装T型水翼能改善双体船的耐波性，但同时会引起船体总阻力的增加。在船体尾部加装截流板/尾楔，可以改善尾部流场，提升船体的阻力性能。本文对截流板/尾楔对加装T型水翼的双体船阻力性能的影响进行了研究。采用CFD数值计算方法对加装截流板/尾楔的双体船尾部流场进行了模拟分析。结果显示，本文所采用的方法能够用于加装附体的双体船的阻力预报，截流板/尾楔能够改善双体船的尾部流场，从而降低加装T型水翼的双体船的阻力。

关键词：截流板;尾楔;双体船;水翼;减阻

中图分类号：U661.31                              文獻标识码：A

Abstract： T-foils can improve the seakeeping performance of a catamaran， and at the same time increase the total hull resistance. Adding interceptor/wedge to the stern of the hull can improve the flow field of ship and reduce the hull resistance. This paper studies the influence of interceptor/stern-wedge on the resistance of catamaran with T-foils. The flow field at the stern of a catamaran fitted with interceptor/wedge is simulated by CFD numerical method. The results show that the method used in this paper can be used to predict the resistance of the catamaran with appendages， and the interceptor/wedge can improve the flow field at the stern， so as to reduce the resistance of the catamaran with T-foils.

Key words： Interceptor; Stern-wedge; Catamaran; Foils; Resistance reduction

1    引言

近年来，随着双体船在世界范围内的应用越来越多，双体船抗纵摇能力差的特点也逐渐暴露出来。为了解决这一问题，现在许多双体船都加装T型水翼等减摇附体。装有T型水翼的双体船在水中航行时，水翼通过产生升力阻尼来降低双体船的纵摇运动，从而有效改善双体船的耐波性。但同时T型水翼也会不可避免地引起船舶阻力增加，而截流板和尾楔等尾部附体能够通过改善船体尾部的流场，从而达到改善船体阻力性能的目的，引起了广泛的研究。

本文通过CFD数值计算方法，对加装T型水翼和截流板/尾楔的双体船进行数值模拟，研究了截流板、尾楔对加装T型水翼的双体船的流场的影响，分析了加装T型水翼的截流板的阻力性能随截流板的深度和尾楔的角度的变换规律。结果显示，截流板/尾楔能够降低舰船尾部来流的速度，减小舰船尾部压力损失，从而引起首尾水动力压差的明显减小，最终导致了兴波阻力的减小。对于双体船而言，截流板的深度取船长的0.1%～0.2%为宜，尾楔角度取8°～10°为宜。

2   数学模型及数值计算方法

2.1  控制方程及湍流模型

本文采用欧拉两相流模型来模拟非定常不可压缩粘性流体;采用时间平均的雷诺方法（RANS）结合Realizable k-ε湍流模型对N-S方程进行封闭;采用VOF体积分数法对自由液面进行模拟。

不可压缩流体的连续性方程：

2.2  船体运动的数学方程

对于高速船舶而言，高速阶段船舶的纵倾和排水体积等参数与初始状态会有非常大的差异，因此高速船的阻力预报中要放开船体运动的自由度，对船体的运动也要同时进行模拟。本文在模拟时放开了双体船的纵摇和升沉两个方向上的自由度。船舶在水中的六自由度运动方程如下：

3    计算模型及精度验证

3.1   模型尺寸及试验

本文的研究对象为大型双体船，试验所用模型缩尺比为1：25，其主体结构如图1（a） 所示。由于本文只计算船体在水中的阻力，因此船体的连接桥结构和上层建筑等结构都进行了简化处理，这对实验结果没有影响。T型水翼、截流板和尾楔的具体结构，分别如图1（b） ～图1（d） 所示。其中，截流板的布置形式为由尾封板向下伸出一致、与船长方向垂直，楔形块布置在船体尾部的船底板上，楔形块的尾部与船体尾封板平齐，底部与船长方向呈一定的角度。试验模型及附体的参数如表1所示。

3.2  边界条件设置及网格划分

控制域及边界条件设置如图2所示。船首前方距入口为1.5个船长、距左右两侧及上下两侧为1.5个船长;船尾距出口保留3个船长的距离，以保证尾流的充分发展。整个计算域分为上下两个部分：上半部分为气相，流体为空气;下半部分为液相，流体为水，中间通过VOF方法模拟出自由液面;设置入口处边界条件为速度入口、出口处边界条件为压力出口;两侧以及上下为固壁边界条件。

采用Trimmer切割体网格对计算域进行网格划分。为了更为准确的模拟出船体的流场运动情况以便捕捉船体表面的压力和周围流体的速度，对船体周围的网格进行加密，同时对自由液面附近的网格也进行加密，以便捕捉自由液面的波幅变化和兴波情况。计算域的最终网格总数为162万。

3.3  数值计算结果的精度验证

设置截流板下插深度为4 mm、尾楔的下压角度为10°;选取模型航速为1.852～4.733 m/s（换算到实船为18～46 kn）。对设置好的计算模型分别进行数值模拟计算，将计算得到的阻力结果与试验的结果进行对比，验证数值计算方法的可行性和结果的精度。表2和图3分别显示了数值计算结果和模型试验结果的对比。

从表2和图3可以看出，数值计算的结果与模型试验结果符合较好。在最初始的低速阶段，由于模型阻力的值较小，造成计算的相对误差较大;随着速度的增加，数值计算精度开始提升。在中高速阶段，计算值的相对误差大部分控制在4%以内，实现了较高精度的模拟。

4   数值计算结果与分析

4.1  截流板对船体阻力的影响

分别设置截流板高度为h=0（无截流板）、2、4、6、8、10 mm，计算在不同速度下的船体阻力值，并分析不同速度时截流板深度变化对船体尾部流场及阻力的影响。

从图4可以看出，截流板对船底的来流有着明显的阻滞作用。在截流板的前方附近出现了一個低速区域，在尾封板的后方的水流速度也有所降低，而且随着截流板的深度增加这个低速区域的范围也不断增大;与没有截流板的情况相比，尾封板下方和后方的的速度下降明显，因此会在此处形成一个高压区域，产生一个向上的力和力矩调节船体的纵倾;同时，尾封板附近的来流速度降低也能降低螺旋桨的进速，进一步提升螺旋桨的效率。

从图5可以看出，在相同速度下，双体船的阻力随着截流板的深度增加而呈非线性变化;在低速阶段，截流板深度为2～4 mm时船体的总阻力最小;但随着截流板深度的增加，船体的总阻力也随之增加，在截流板深度达到10 mm时船体的总阻力已经和只加装T型水翼不加装截流板时的阻力基本持平;在中速阶段，截流板的减阻效果更加明显，减阻效果最优的截流板深度为6 mm左右;而在高速阶段，截流板依然有很好的减阻效果，减阻效果最好的截流板深度为4 mm左右，而且随着截流板深度的增加，船体的总阻力也迅速的增加。在船模航速为4.733 m/s时，当截流板的深度超过8 mm之后，船体的总阻力已经超过只加装水翼时的情况，船体的总阻力反而有增加的趋势。

4.2  尾楔角度对船体阻力的影响

分别设置尾楔的角度为a=0°、6°、8°、10°、12°，计算在不同速度下的船体阻力值，并分析尾楔角度对船体阻力的影响。

从图6可以看出，尾楔的作用原理与截流板类似，但又有不同。在尾楔的前方和下方，来流的方向有所变化，但水流速度并没有明显的下降;但在尾楔后方，却存在一个相当大的低速区域，而且随着角度的不断增大，低速区域的面积也不断增大，速度下降也更为厉害。与没有尾楔的情况相比，在相同航速下尾封板后方的速度明显变缓，这在一定程度上也缓解了尾部的兴波，对船体的快速性是有利的。

图7给出了不同航速下，随着尾楔角度的增加，船体的阻力的变化情况。虽然随着尾楔角度的增加，船尾封板后方的速度下降较明显，但船体的阻力并非是角度越大阻力越小。从图7中可以看出，总体而言船体阻力随尾楔的角度呈先减后增的趋势，而且在不同航速下船体阻力最优的尾楔角度也不同：在低速阶段，楔形块角度为6°～ 8°时船体的阻力最小;在中高速阶段，楔形块角度为10°左右时船体的阻力最小;此后，随着角度的增大，船体阻力又呈上升趋势。

5   结语

通过对加装截流板/尾楔和T型水翼的双体船的阻力性能进行数值计算研究，得出如下结论：

（1）CFD数值计算方法可以应用于双体船的阻力性能计算研究，其精度误差在可控制允许的范围内;

（2）截流板/尾楔对加装T型水翼的双体船具有减阻的效果，其中截流板的减阻效果略好于尾楔的减阻效果;

（3）在不同速度阶段，阻力性能最好时截流板深度和尾楔的角度各不相同。就总体而言，截流板的深度取为船长的0.1%～0.2%、尾楔的角度为8°～10°为宜。

参考文献

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