某内河船型线变化对阻力和自航性能的影响分析

(必维船级社(中国)有限公司 先进技术研究中心，上海 200011)

船型优化过程中，多数研究是将船体阻力作为优化目标，通常采用势流理论方法快速预报船体兴波阻力，结合ITTC推荐的摩擦阻力计算方法，进而获得船体总阻力[1-5]。其优点是计算速度快，易与优化算法结合，可自动搜寻最优船型。然而，船体尾部型线不仅与阻力性能相关，还与船体的自航性能相关，仅以阻力为优化目标，将会忽视船型变化对自航性能的影响[6]。对自航性能进行预报，通常是进行物理水池船模自航试验，也可以利用CFD技术构建数值水池，开展自航模拟。通常有两种方法模拟螺旋桨与船体之间的相互作用：①直接模拟螺旋桨旋转②采用制动盘方法；通过在螺旋桨盘面处加入体积力，模拟螺旋桨旋转形成的流场。模拟螺旋桨旋转评估船舶自航性能，计算成本很高，很难应用于船型优化过程。而采用制动盘方进行自航模拟，即可保证自航性能预报结果精度，又可以提高计算效率。为此，利用三维船体参数化建模软件OptNAV进行船型变化，在基于RANSE-VOF求解器 ISIS-CFD构建的数值水池中，开展船体拖曳阻力和自航虚拟实验，对型线变化前后的船体阻力和自航性能进行预报。对比分析船体艏艉型线变化对阻力和自航性能的影响，为船体型线设计优化提供参考。

1 数值计算方法

(1)

采用有限体积法(FVM)对流体输运方程进行空间离散。通过求解动量守恒方程获得速度场，再通过求解由连续性方法或质量守恒条件转换成的压力方程获得压力场。

求解气液两相流动问题时，采用VOF方处理自由液面[9]。引入流体体积分数α。α=1表示计算网格单元完全被水占据；α=0表示网格单元完全被空气占据；0<α<1则表示该计算网格单元含有水和空气的交界面。

ISIS-CFD求解器是针对船舶海洋工程水动力问题的专用求解器，经过了大量标准问题求解验证，广泛应用于船舶工程的实际项目，可以高精度预报船体水动力性能，模拟研究复杂流体流动问题。DTMB5415船模(5.72 m长)CFD数值计算结果与水池试验结果的对比见图1。

图1 数值水池与物理水池阻力结果对比

由图1可见，两者吻合的很好，预报精度满足实际工程应用的需要。

基于ISIS-CFD求解器构建三维数值水池，开展阻力和自航数值试验。在自航数值试验中，采用致动盘方法[10]模拟螺旋桨与船体之间的相互作用。对比船体阻力计算结果和自航计算结果，并结合螺旋桨敞水性能数据进行后处理，从而推导出推进系数(推力减额系数(1-t)、伴流系数(1-w)、螺旋桨效率ηp、船身效率ηh)，进一步计算得到船体收到功率PD。

2 计算结果与分析

2.1 初始船型性能预报

某内河船船长140 m，吃水6.0 m，计算航速为10.0 kn，在水深H=9.0 m的浅水航道航行。

采用长方体计算域建立数值水池模型。考虑到船体直航时流场的对称性，采用半船模型。计算域长为6倍船长，宽2倍船长，底部边界距离水面9 m，顶部边界距离水面1倍船长。船体位于计算算域中部，船艏距离右侧入口边界2倍船长。

计算域右侧入口、侧面和顶部边界均为速度入口边界条件，左侧为出口边界条件，底部为可滑动移壁面条件，船体表面为不可滑移壁面条件，船体中纵剖面所在边界设置为对称面。

采用HEXPRESS软件进行网格划分，计算网格数量约320万。为精确模拟浅水水底边界对船体的影响，如船体吸底坐沉等[11-12]，船体和水底边界之间区域需要进行网格加密。此外，螺旋桨桨盘面区域也进行了网格加密，见图2。

图2 计算网格

考虑船体纵摇和垂荡2个自由度运动。船体由静止逐渐加速至目标航速，当船体阻力曲线稳定后，获取数值试验结果，见表1。

表1 初始船型阻力和自航性能结果

采用制动盘法进行自航模拟计算得到的速度场见图3。船体兴波高度见图4。

图3 速度云图(纵向剖面Y=5.0 m)

图4 船体兴波高度云图

由图3可以看到，在船艉螺旋桨位置后方，有明显的螺旋桨推水形成的高流速区。此外，船体底部和水底之间的水流相对速度在船体航速的1.1倍以上，相对较高的流速导致船体有明显的坐沉现象。结果显示，船体沉降值可达到0.4 m，要比在深水环境中的沉降值大很多。

2.2 船体参数化变形

采用三维参数化建模软件OptNav对初始船型进行型线变化，生成新船型。

对给定船型进行艏、艉变形，见图5。横剖面线视图和水线视图见图6。型线变化主要是改变艉和平行中体过度区的型线，使局部区域变宽或变窄。

图5 艏型线变形

图6 艉型线变化

2.3 型线变化的影响分析

对初始船型艏艉分别进行4种不同幅值的变形，并在数值水池中进行阻力和自航性能预报。通过与初始船型进行比较，分析参数化变形对船体水动力性能的影响。采用OptNav软件可以将初始船型的计算网格自动应用到变形后的船型上，确保生成相同的网格拓扑结构和网格节点布置。

对于艏变形，考虑到变形区域距离艉螺旋桨距离足够远，认为艏变形对自航性能没有影响，只分析船型变化对阻力的影响。对于艉变形，则需要同时考虑船型变化对阻力和自航性能的影响。

艏变形幅值范围为[-25，30]，在此范围内，船体阻力变化与幅值的关系见图7。

图7 与艏横剖面变形对应的阻力相对变化

变形幅值0对应初始船型。变形幅值为负值表示艏底部变胖，水线上部变瘦，排水体积下移。 与初始船型相比，阻力可降低；如当变形幅值为-25时，船体阻力可降低1.6%。相反，变形幅值为正值，表示船艏底部变瘦，上部变胖，对应阻力增大，如当变形幅值为30时，船体阻力将增加4.0%。

对比艏部变形前后的兴波高度变化见图8。

图8 船体兴波自由面高度云图

由图8可见，变形幅值-25对于的船体艏部兴波较初始船型行波有明显变化，有利于降低兴波阻力。

对比艏部变形前后的船体表面压力系数变化见图9。变形幅值-25对应的艏高压区范围明显减小。

图9 船艏表面动压力系数云图

艉变形幅值为[-30，30]，不同变形幅值对应船型的阻力和自航性能参数见表2。与初始船型相比，阻力和收到功率变化见图10。结果显示，当变形幅值为15时，阻力较初始船型降低了1%，但收到功率PD仅降低了0.3%。这主要是由于艉变形改变了艉伴流系数和推力减额系数，从而减小了船身效率和螺旋桨效率，导致收到功率并没有阻力收益那么高。

图10 船艉变形对应的阻力和收到功率的相对变化

与初始船型相比较，在给定的变形区域内，船体略变宽些时，有利于降低阻力，如变形幅值15对应的船型；而将船体略变窄些时，船身效率和螺旋桨效率会有所改善，如变形幅值-15所对应的船型。因此，在对船艉进行优化时，仅以最小阻力为优化目标是不够的，更要注意对自航性能的准确预报。

表2 船艉变形幅值对应的阻力和自航性能结果

由于艉部变形幅度不大，而且变化幅度较大的部分在距离水线面较深的位置，所以对艉部兴波影响很小，主要改变变形区域的压力分布，见图11。

图11 船艉表面压力场云图

3 结论

船体艏艉局部范围均有进一步优化的空间；船艉变形对船体阻力和自航性能的影响并不完全一致；对船艉进行优化时，以自航计算获得收到功率为优化目标更为合适。