前緣引流對船舶阻力及伴流分布的影響

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(武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

對于中低速船，特別是肥大船型，粘性阻力占總阻力的80%～90%[1]，其中的形狀阻力部分也占有較大比重。國內外實驗研究[2]已經證明,鈍體前緣開孔引流對周圍流場特別是艉流場有改善作用，鈍體形狀阻力明顯減小。本文針對形狀阻力占較大比重的船型，采用數值模擬方法，設計前緣開孔，在船艏高壓區設引流入口，船艉設出流口，引流通道貫穿全船。分析在不同開孔形狀、開孔尺寸和出流位置下的船舶艉部流場特性和阻力變化規律，為減阻船型優化設計提供參考。

1 數值方法

1.1 控制方程(張量形式)

船體繞流數值計算中，認為流體均質不可壓，在直角坐標系下，由質量守恒得到的連續性方程為

(1)

由動量守恒得到的Navier-Stokes方程為

i,j=1,2,3

(2)

式中：ui,uj——速度矢量u在xi、xj方向上的分量；

ρ——流體密度；

p——壓力；

υ——運動粘性系數；

Fi——體積力,此處為重力gi[3]。

1.2 k-ω湍流模型

k-ω模型通過引入湍動能和比耗散率的輸運方程得到k和ω，把μt表達為k和ω的函數。其輸運方程為

(3)

式中：Gk——由于時均速度梯度引起的湍動能；

Gω——ω的產生項；

Γk,Γω——k和ω的有效擴散系數；

Yk,Yω——由湍流引起的k和ω的耗散項;

Sk,Sω——自定義源項[4]。

1.3 邊界條件

對本文定常不可壓縮粘性繞流場的疊模計算，主要用到4種邊界條件。

1)速度入口:u=u∞,v=w=0；

3)壁面邊界滿足無滑移條件:u=v=w=0；

式中：u,v,w——速度矢量υw沿X、Y、Z方向的分量。

1.4 數值求解

采用基于單元中心的有限體積法數值求解控制方程。速度和壓力耦合采用SIMPLEC算法；壓力離散采用Standard格式；動量和湍動能離散采用二階迎風格式；比耗散率離散采用一階迎風格式。

2 物理模型及計算域

選擇一條雙艉無球艏的中速船為研究對象，采用1∶8.3的比例建模。模型主尺度見表1；橫剖線視圖和模型底部三維視圖分別見圖1和圖2；計算域及尺寸劃分見圖3，圖中Core區域為船體。計算中假設船舶正浮，無偏航，不考慮自由面影響，僅研究船舶粘性阻力。

表1 模型主要尺度

圖1 橫剖線圖

圖2 底部三維視圖

圖3 計算域

計算模型共選擇3種開孔形狀：方孔、圓孔(側面)、圓孔(中間)；3種出流口位置分別為：艉封板、1#～2#站、3#～4#站。

4種入流面積分別為：3.6%、1.8%、1.0%、0.5%(入流口面積與船模最大橫截面積百分比)。為直觀表達引流通道的參數信息，3種通道類型的艉部視圖見圖4。

為方便分析比較，將開孔引流模型按順序編號MODE1～21。所有開孔引流模型的參數方案見表2。

表2 開孔引流模型參數方案

表2中，圓孔(中間)表示模型引流通道關于中縱剖面對稱；圓孔(側面)表示模型引流通道完全位于中縱剖面一側；“%”表示引流入口或者出口的面積占模型最大橫剖面面積的百分比，用來表征通道尺寸大小。

3 數值計算結果及分析

3.1 計算結果

方孔、圓孔(側面)、圓孔(中間)引流模型阻力計算結果以及與原型比較的減阻率見表3。

表3 方孔引流模型阻力計算結果

注：Cvp-粘壓阻力系數；Cf-摩擦阻力系數；Cv-粘性阻力系數[1]；ΔCvp-粘壓阻力系數減阻率，定義為ΔCvp=(Cvp-Cvp*)/Cvp*；ΔCf-摩擦阻力系數減阻率， 定義為ΔCf=(Cf-Cvf*)/Cf*；ΔCv-粘性阻力系數減阻率， 定義為ΔCv=(Cv-Cv*)/Cv*；Cvp*、Cf*、Cv*分別為對應的原型船模阻力系數。

3.2 計算結果分析

3.2.1 開孔形狀對總阻力的影響

圖5顯示不同開孔形狀下的模型粘性阻力系數變化情況。橫坐標上a，b，c分別代表方孔、圓孔(側面)、圓孔(中間)引流阻力系數。結果顯示：引流后粘性阻力系數增加值：a>b>c，即方孔引流粘性阻力系數增加最大，圓孔(中間)引流阻力系數增最小。這是因為方孔引流通道內存在拐角，易產生漩渦，增加了對流動的干擾，導致阻力增加較多，圓孔引流通道內壁光順，避免了漩渦的生成；相同入口面積條件下，圓孔(側面)引流通道的濕面積較圓孔(中間)引流通道濕面積大，導致總的摩擦阻力系數較大，故總的粘性阻力系數較圓孔(中間)也偏大。

圖5 不同開孔形狀模型減阻率比較

3.2.2 出流口位置對總阻力的影響

圖6顯示不同出流口位置的模型粘性阻力系數變化情況。橫坐標上a，b，c分別代表出流口位于艉封板、1#～2#站、3#～4#站的引流阻力系數。結果顯示：引流后粘性阻力系數增加值：a>c>b，即出流口位于艉封板處粘性阻力系數增加最大，出流口位于1#～2#站時阻力系數增加最小。這是因為引流至艉封板處引流通道出現艉高艏低的“爬坡”現象，不利于來流的順利通過，導致管道內阻增加較多；相反，引流至3#～4#站時通道出現艏高艉低現象，引流通道傾斜角度很大，明顯改變了來流方向，導致內阻增大；引流至1#～2#站時，通道艏艉過渡平緩，來流能夠順利通過，因而阻力增加較小。

圖6 不同出流位置模型減阻率比較

3.2.3 開孔尺寸對總阻力的影響

圖7顯示不同出流口尺寸或者不同通道尺寸的模型粘性阻力系數變化情況。橫坐標上a，b，c代表模型不同入流口與出流口的面積比。計算結果顯示如下。

圖7 不同出流尺寸 通道尺寸模型減阻率比較

1)入流面積一定，當出流面積大于入流面積時，粘性阻力系數增加值隨出流面積增大而增大；當出流面積小于入流面積時，粘性阻力系數增加值隨出流面積減小而減小，但存在一個平衡點，當超過該平衡點后繼續減小出流面積時，粘性阻力系數增加值將增大;

2)綜合分析圖5和圖6發現，粘性阻力系數增加值隨引流通道尺寸的減小而減小，但同樣存在一個平衡點，當超過該點后繼續減小通道尺寸，總阻力系數增加值將增大。分析原因：不同引流通道在減小模型形狀阻力的同時增加了模型總的摩阻阻力，二者之間存在一個平衡點，這正是本文的研究要點。

3.2.4 開孔引流對流場的影響

原型船模槳盤面平均標稱伴流分數計算值w=0.138，引流模型(MODE19)平均標稱伴流分數計算值w=0.154；即引流后平均標稱伴流分數有所增加，船身效率ηH增大，這對提高螺旋槳推進效率有益。

圖8顯示原型和開孔引流模型(MODE19)在槳盤面半徑為0.7R處的軸向標稱伴流分數沿圓周的分布曲線。由圖8可見,引流后在0.7R圓周上的伴流分數均有增加。

圖8 0.7R處軸向標稱伴流分數比較(原型與MODE19)

圖9顯示兩模型的艉軸槳盤面處標稱伴流分數等值線分布。由圖9可見,原型標稱伴流分布有向中間收縮的趨勢，伴流分布較不均勻；開孔引流后，槳盤面處標稱伴流的分布有所改善，這有利于降低螺旋槳工作時帶來的震動，增加其使用壽命。

4 結論

1)前緣引流減阻技術適用于艏型較鈍，艏部高壓區明顯，艉部收縮顯著，曲率變化較大的船型。

圖9 槳盤面標稱伴流分數等值線分布

2)相同參數下，圓孔(中間)引流模型粘性阻力系數增加最小，其次是圓孔(側面)引流模型，而方孔引流模型粘性阻力系數增加最大。

3)相同參數下，出流口位于1#～2#站模型粘性阻力系數增加最小，其次是3#～4#站，出流口位于艉封板處粘性阻力系數增加最大。

4)隨引流通道尺寸的減小，模型粘性阻力系數增加值減小，達到某一平衡點后，粘性阻力系數增加值將增大。

5)相同入流口面積下，當出流面積大于入流面積時，粘性阻力系數增加值隨出流面積增大而增大；當出流面積小于入流面積時，粘性阻力系數增加值隨出流面積減小而減小，達到某一平衡點后，粘性阻力系數增加值將增大。

6)開孔引流明顯改善了艉部伴流場分布，對提高船舶推進效率有益。

[1] 盛振邦，劉應中.船舶原理上冊[M].上海:上海交通大學出版社,2003.

[2] 譚廣琨，王晉軍.圓柱體減阻技術及其機理初步研究[J].北京:北京航空航天大學學報, 2001,27(6):40-43.

[3] 王家楣,張志宏,馬乾初.流體力學[M].大連：大連海事大學出版社,2002.

[4] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社,2004.

[5] 魏 瑋.船舶前緣引流減阻流場特性數值模擬[D].武漢:武漢理工大學,2010.