減搖水艙擋板開度對穩定矩影響的研究

蔣 頡 丁 勇

1中國艦船研究設計中心，上海 201108

2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

減搖水艙擋板開度對穩定矩影響的研究

蔣 頡1丁 勇2

1中國艦船研究設計中心，上海 201108

2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

水艙阻尼是影響減搖水艙減搖性能的重要因素，在減搖水艙的工程應用中，如何獲得最佳的水艙阻尼成為水艙設計最關鍵的環節之一。一般情況下，可以通過調節水艙擋板來改變水艙底部通道截面積的大小，以達到改善水艙阻尼的目的。本文利用FLUENT軟件，計算了二維水艙模型中不同擋板開度條件下水艙穩定矩的變化，得到該仿真模型最佳阻尼所對應的擋板開度的參考數值，并與減搖水艙臺架試驗的結果進行比較，表明了利用數值仿真的方法來研究水艙阻尼是可行的，該數值仿真的結果是合理的。

減搖水艙；擋板開度；FLUENT；數值仿真

1 引言

減搖水艙最大的優點是其在任何航速下均有一定的減搖效果，這使得減搖水艙被廣泛應用，如航母、LPD艦以及客船、集裝箱船、巡邏船、海洋救生船、科學考察船等。水艙阻尼成為影響水艙減搖性能的重要因素：小的水艙阻尼，得不到理想的減搖效果，并且有可能使共振區外的橫搖增大；大的水艙阻尼也會降低水艙的減搖效果。由此可見，選擇適當的水艙阻尼，才能得到較大的水艙穩定矩，才能保證水艙具有良好的減搖性能。同時，為了使減搖水艙在較寬的海浪頻率范圍內均有滿意的減搖效果，可以通過調節安裝于水艙底部連通道的阻尼擋板來改變流道局部截面積的大小，達到調節水艙阻尼、增強水艙減搖性能的目的［1－5］。

通常，利用臺架試驗來研究減搖水艙性能。試驗臺架是1個滿足運動相似和動力相似的復重力擺，也是對水艙減搖性能進行研究的重要手段。然而，隨著對減搖水艙研究的深入，發現對于水艙的非線性特性，特別是在飽和效應出現時，進行臺架試驗存在著一些困難。如在船模上安裝一個“小”的水艙模型要涉及到水動力和實際特性是否可行的問題；再如水艙模型太小，則尺度效應非常明顯，試驗結果可靠度不高［6］。同時，近年來隨著計算機技術的飛速發展，一些科研人員開始使用CFD（Computational Fluid Dynamics）的方法來研究減搖水艙的流體特性，彌補了理論計算研究和船模實驗的不足，充分利用計算機仿真技術成為了研究水艙性能的一個重要方向。本文利用FLUENT軟件針對不同阻尼擋板開度條件下減搖水艙艙液瞬態運動進行了二維數值仿真，監測并得到了水艙穩定矩的變化情況，與臺架試驗的結果相比較后獲得了一致的結論。

2 數值仿真的模型尺度

二維水艙模型的幾何尺度如圖1所示。

圖中，h為水艙底部通道高度；H為邊艙液位高度；B為沿船寬方向的長度；b為邊艙寬度；c為邊艙中心線至船縱中剖面的距離。

某船根據相似律進行折算后，轉動慣量J為429 kg·m2，阻尼系數 NN為 85.1 N·m·s，恢復力矩Dh為 1 690.8 N·m，模型比尺 λ 取 8.5［7］，模型具體的幾何尺度數據如表1所示。

表1 減搖水艙模型尺寸Tab.1 Dimensions of anti-rolling tank

3 仿真模型的建立與計算網格的劃分

利用FLUENT的專用前處理軟件包GAMBIT為數值仿真建立二維計算模型并劃分網格。

3.1 仿真模型的建立

為了與臺架試驗的試驗結果相比對，文中共建立11個仿真模型，分別對應于阻尼擋板開度為0、1／5、3／10、2／5、9／20、10／20、11／20、3／5、7／10、4／5、1。為了保證各模型的仿真計算結果具有可比性，建立的11個計算模型，除阻尼擋板的開度不同以外，幾何尺度均一致，邊界條件的設置和網格劃分的方法也都相同。圖2為阻尼擋板開度為10／20時的數值模擬模型。

圖中，EF、GH、IJ、KL 是為了細化網格、 提高網格質量而設置的輔助線。

邊界條件是計算域的邊界上所求解的變量或其一階導數隨地點及時間變化的規律，是CFD數值模擬有定解的必要條件，只有給定合理的邊界條件才可能計算出流場的解［8-9］。文中數值模擬模型計算域的邊界有入口條件、出口條件及壁面條件。如圖2所示，該模型中，CD設置為速度入口邊界條件 （Velocity＿inlet）；AB設置為自由出流邊界條件（Outflow）；考慮到粘性的影響，除 AB、CD以及4條輔助線以外的所有邊界線均設置為固壁邊界條件（Wall）。在以上的各個邊界條件中，最關鍵的是速度入口邊界條件的設置，初始入口速度設置的過大或過小，都會影響到仿真計算結果的正確性。文中設置仿真模型的初始入口速度為0.05 m／s。根據減搖水艙的工作機理，當船體受波浪擾動作用產生橫搖、艙壁與船體同步橫搖時，由于艙液慣性的存在，艙液并沒有立即移動也沒有立即形成液位差，但在慣性力的作用下已產生初始運動速度。此狀態的時間較短，設置的初始速度大不符合艙液運動的實際狀態，也得不到所需的仿真結果；設置較小的初始速度時，計算求得橫搖穩定矩的數值較小，不利于尋求水艙最佳阻尼所對應的阻尼擋板的開度情況。

3.2 計算網格的劃分

幾何模型是網格和邊界的載體，網格是CFD模型的幾何表達方式，也是數值計算與分析的載體。網格質量好壞將直接影響到數值模擬的精度和效率［10］。事實上，在采用CFD技術模擬水艙艙液流動的過程中，模型的建立和網格的劃分將花費整個工作60%以上的時間。文中使用非結構網格來離散計算域。考慮漩渦的影響，阻尼擋板附近計算域的網格劃分是整個模型網格劃分的重點，因為阻尼擋板的存在使得水艙底部通道截面積的大小發生了改變，也使得流體在流經該區域時會出現旋渦區或者會出現速度分布的改變，導致流動的阻力大大增加，從而引起比較集中的能量損失。以阻尼擋板開度為10／20為例，利用4條輔助線將整個計算域分為4個區域，通過設置邊界壁控制點間距大小，控制區域網格密度大小，分別對各個區域進行網格劃分，總的網格數目為73 560。其中，阻尼擋板附近的計算域網格密度最大，網格單元數為23 866，占總數的32%；其次是IJKL面域網格密度，網格單元數為10 178；再其次是EFGH面域的網格密度，網格單元數為9 430。這種網格劃分方式即可保證求解問題所要求的精度。圖3所示為劃分好的阻尼擋板開度為10／20時的計算網格，圖4所示為位阻尼擋板開度為10／20時阻尼擋板附近的局部計算網格示意圖。為保證仿真計算能夠準確模擬阻尼擋板附近的艙液運動，該處的計算網格設置為三角形網格，節點間距設置為2 mm，網格密度較其他部分稍密。

對于網格數問題，應該以能否得到滿足精度要求的計算結果為準，一味地追求細密性網格不一定能滿意地解決問題。一方面，在網格尺度達到某一下限值后，解對網格精度的變化不再敏感，甚至有可能使解的計算精度變差［11］；另一方面，由于計算機硬件方面的限制，數目較大的計算網格需要耗費更長的計算時間，降低了仿真試驗計算效率和適用性。針對計算網格數目與計算時間的關系研究：以阻尼擋板開度為10／20為例，求得計算網格數目分別為 12 387、23 657、42 896、58 934、73 560、100 546、154 862、198 723 時所耗用的計算時間，其計算時間分別為112 min、156 min、198 min、264 min、375 min、644 min、898 min、1 197 min。圖5所示為計算網格數目與計算時間的關系曲線。由圖可見，計算網格數目為73 560時花費375 min；當計算網格數目大于73 560時，計算機進行仿真模擬所耗用的時間幾乎是計算網格數目為73 560時花費時間的數倍。

4 仿真計算與結果分析

4.1 湍流模型

由水艙的減搖機理可知［4］，實際水艙中液體的流速和管道直徑都比較大，因此艙內流體的流動狀態幾乎都是湍流。本文采用湍流模型計算，文中選用理論上發展較為完善，對湍流模型求解在工程上廣泛運用的k－ε二方程湍流模型來封閉RANS 方程，湍動能 k 方程為［8］：

式中，C1=1.44；C2＝ 1.92；σ1＝ 1.0；σ2＝ 1.3。

通過湍流運動粘度υt建立了Reynolds應力與平均速度梯度的關系，使得控制方程封閉。υt表示成 k 和 ε 的函數，即υt＝Cμε2／k，Cμ為經驗常數，Cμ＝ 0.09。

4.2 仿真計算

為了能夠與臺架試驗的實驗結果直接進行比較，文中定性地計算了艙液流速為0.05 m／s條件下不同阻尼擋板開度時的水艙穩定力矩的數值。穩定距直接從FLUENT計算結果中得到，大的水艙穩定矩意味著的減搖效果好，水艙阻尼選取適當或者阻尼擋板開度選取適當；小的水艙穩定矩意味著水艙的減搖效果差，水艙阻尼選取不當或者阻尼擋板開度選取不當。根據水艙穩定矩的大小，來定性分析阻尼擋板開度對水艙減搖性能的影響。仿真計算的結果如表2所示。圖6所示為阻尼擋板開度與水艙穩定矩曲線圖。

表2 水艙穩定矩的仿真計算結果（N·m）Tab.2 Simulation results of stabilizing moment for the tank （N·m）

4.3 數值仿真結果分析

從定性分析的角度來看，由表2的計算結果可以得出：

1）當阻尼擋板開度為0（即阻尼擋板全閉）時，水艙穩定矩為0 N·m。這是因為阻尼擋板全閉時，艙液幾乎不發生振蕩運動，艙內的水不會產生減搖力矩。

2）當阻尼擋板開度為0～10／20（即擋板角度為0°～45°）變化的過程中，隨著擋板開度的增大，水艙穩定矩逐漸變大，水艙阻尼也逐漸接近水艙最佳阻尼。在阻尼擋板開度為10／20時，水艙穩定矩達到最大，此時的水艙阻尼也即水艙最佳阻尼，水艙的減搖效果最好。

3）當阻尼擋板開度為10／20～1（即擋板角度為45°～90°）變化的過程中，隨著擋板開度的增大，水艙穩定矩反而逐漸變小，甚至起到了增搖的作用，水艙減搖效果也越來越差。

4） 當阻尼擋板開度在 2／5～3／5范圍內時，水艙有比較滿意的減搖效果，說明水艙阻尼選取適當。

臺架試驗的試驗結果認為阻尼擋板在2／5～3／5開度附近時有較好的減搖效果［7］，水艙數值仿真的計算結果與之相比較得到了一致的結論，這也表明了利用數值仿真的方法來研究水艙阻尼是可行的，該數值仿真的結果是合理的。

5 結束語

本文研究了二維減搖水艙中艙液瞬態運動時，不同阻尼擋板開度水艙穩定矩的數值變化，計算得到水艙穩定矩的最大值，找到了水艙的最佳阻尼所對應的水艙阻尼擋板的最佳開度。與臺架試驗的結果進行比較，得到了與試驗結果一致的結論。在進一步定量地進行水艙中艙液的數值仿真研究中，利用FLUENT的UDF功能和動網格計算功能來模擬“船舶－水艙”系統雙振蕩的整個運動過程，更加全面地研究水艙的艙液運動，更好地實現水艙中艙液流動的數值仿真計算。

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Stabilizing Moment Influenced by Angle of Damping Plate of Anti-Rolling Tank

Jiang Jie1 Ding Yong2
1 China Ship Development and Design Center， Shanghai Division， Shanghai 201108，China
2 School of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

The damping effect is the important attribute which can influence the stabilizing performance of anti－rolling tank.In a practical design of anti－rolling tank， how to obtain the optimum damping effect has become one of the most critical elements.Improving the damping effect was usually accomplished by changing the cross section of tank＇s channel via the angle adjustment of damping plate.For this purpose，FLUENT was applied to calculate various anti－rolling stabilizing moments based on a 2D numerical model with different angle of damping plate，and reference values of angle which was corresponding with the optimum damping effect in the numerical model were obtained and compared with the results of bench test.The comparison proved the simulation results were reasonable and feasible to research the damping of anti－rolling tank through the FLUENT software.

anti－rolling tank； the angle of plate； FLUENT； numerical simulation

U662.2

A

1673－3185（2011）03－36－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.008

2010-06-18

蔣 頡（1982－），男，助理工程師。研究方向：艦船總體設計。E-mail：jjv9＠hotmail.com

丁 勇（1959－），男，教授，碩士生導師。研究方向：船舶水動力性能。