肥大船型艏型改變對性能的影響

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(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

船艏舭渦是影響全船粘壓阻力的一個重要因素。艏部舭渦由船側(cè)水流繞向船底而成，主要取決于艏部形狀。船艏舭渦形成了船艏底部低壓區(qū)，這將導(dǎo)致粘壓阻力增加。破波阻力是由進流段滿載水線附近過分阻塞而形成，屬于興波阻力中的一部分。埋艏現(xiàn)象主要是因為進流段舭部曲率過大造成的，同樣會導(dǎo)致粘壓阻力增加。值得注意的是破波阻力和艏部舭渦的存在都直接影響著進流段的水動力性能。本文主要探討肥大船型在改型前后船艏舭渦、壓力分布、艉部伴流的變化情況。

1 艏型修改

1.1 原型簡介

某江海直達集裝箱船主尺度見表1，其方形系數(shù)為0.8，屬于肥大船型。

表1 實船主尺度

1.2 原型及改型的三維模型

以母型為依據(jù)，進行艏型的局部改變，但是在改型中必須保證浮心位置、靜水力等特性與原型沒有太大變化[1]。

S形球鼻艏是肥大船型常用的艏型之一[2]，艏型1的變化主要是采用S形球鼻艏。艏型2主要目的是改善船艏舭渦。艏型3則是從改善艏部砰擊這一角度出發(fā)，進行的改型。其中艏型2和艏型3都適當(dāng)?shù)臏p小了進水角。

原型艏型及改型后的艏部三維模型見圖1。

圖1 艏部三維模型

對原型的改變不能影響浮心位置太多，所以在艏型改變的同時必須實時查看艏型的橫剖面曲線，不能與原型有太大的出入。

另外在艏部線型設(shè)計中還要注意到:由于浮心靠前,進流段短,水線前端應(yīng)設(shè)計成直線或微凸形,且曲率變化要均勻。設(shè)計水線以上一段高度要盡量保持設(shè)計水線的寬度,不能過度放寬以免堵水[3]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 計算模型的建立及邊界條件設(shè)置

計算模型采用疊模，縮尺比為1/26，計算域為：船前方向1倍船長，船寬方向1倍船長，船底方向1倍船長，船艉方向4倍船長。見圖2。

圖2 計算域

模型網(wǎng)格大約100萬，船體附近的近域采用四面體網(wǎng)格，其余的遠域采用六面體網(wǎng)格，其中船體周圍網(wǎng)格需要加密，尤其是船艏和船艉部分，由于計算的目的是獲得伴流的信息，因此在槳盤面附近的網(wǎng)格也需要加密。

邊界條件的設(shè)置：設(shè)置入口為速度入口，為1.1 m/s，設(shè)置出口為自由出流，船體表面為固壁，計算域內(nèi)部的面為通透面，其余面為對稱面。

Fluent的湍流模型包括k-ε模型，k-ω模型、Reynolds應(yīng)力模型，LES模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，雙層近壁模型等[4]。本文全部采用SSTk-ω模型進行計算。

2.2 標(biāo)稱伴流比較

由于伴流的存在，使螺旋槳與其附近水流的相對速度和船速不同。通常指的伴流為船艉裝螺旋槳處即槳盤面的實效伴流。

由于本次計算中，計算模型在槳盤面位置并沒有螺旋槳模型，所以這里的伴流均指標(biāo)稱伴流。

2.2.1 伴流分數(shù)的計算

本文中只對軸向伴流進行分析。

一般情況下軸向平均伴流采用體積積分法進行計算。 在fluent軟件中計算原理與體積積分法類似。可以在槳盤面位置劃出一個槳盤大小的切片，對該切片的X方向速度進行積分求和，便可以求得該切片的X方向總速度ux，然后除以面積便是伴流的平均速度，公式表達如下。

(1)

式中：ux——槳盤面積分出來的總速度，m/(s·m2)；

As——槳盤面面積，m。

軸向伴流分數(shù)通常用伴流速度與船速的比值來表示，公式如下。

(2)

式中：Vx——各點軸向速度；

V——船速。

2.2.2 伴流的不均勻性

伴流的不均勻性對螺旋槳的推力、轉(zhuǎn)矩、效率等都有影響，甚至?xí)绊懘w艉部的振動，因此在船舶改型中除了獲得一個較理想的伴流分數(shù)外，還要考慮到伴流的不均勻性，應(yīng)盡量獲得一個較為均勻的伴流場分布。

速度為1.1 m/s時，4艘模型計算出來的伴流分數(shù)和伴流分數(shù)等值線見圖3。

圖3 伴流分數(shù)和伴流分數(shù)等值線

為了進一步分析比較各個艏型對伴流均勻度的影響，將0.8R處的標(biāo)稱伴流分數(shù)沿周向作成曲線，見圖4。

圖4 0.8R處伴流分數(shù)沿周向變化曲線

由圖4可見,各個模型計算所得的伴流分布情況變化較小，相對而言，艏型1的伴流分數(shù)雖然不是最高但伴流均勻度有所改善，而艏型3的伴流分數(shù)稍微變大。

2.3 壓力分布比較

船艏型改變對船體壓力分布的影響，可能影響船體的粘性阻力，而江海直達船型屬于低速肥大船型，粘性阻力是其阻力成分的重要組成部分，對船型壓力分布的分析有利于在后續(xù)研究中進一步進行減阻研究。壓力分布見圖5。

圖5 壓力分布

可以看出，改型1的壓力分布較原型沒有明顯改變，而艏型2和艏型3則有明顯的改進，具體原因可能是艏型2和艏型3的艏部曲度變化比較緩和，以及進水角相對改小。而壓力的改善可能會帶來粘壓阻力的改善。所以艏型2和艏型3較優(yōu)。

2.4 阻力系數(shù)比較

計算不同速度下原型與改型的阻力，圖6、7給出了阻力系數(shù)的計算結(jié)果。

圖6 粘性阻力系數(shù)曲線

圖7 粘壓阻力系數(shù)曲線

由計算結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，4艘模型(包括原型)中艏型2和艏型3較原型粘性阻力系數(shù)(由于采用疊模，F(xiàn)LUENT里面的總阻力不含興波成分，就是實際中的粘性阻力)和粘壓阻力系數(shù)都有所降低，而艏型1粘壓阻力系數(shù)較原型有所增大。從阻力角度出發(fā)，艏型2較好。

從以上幾點可以看出，改型后的模型各方面性能都得到了不同程度的改善。比如艏型2和艏型3的舭渦、動壓分布、粘壓阻力都得到了改善，其中艏型2改善最為明顯。

3 結(jié)論

1)肥大船型艏型的改變對船艉伴流分數(shù)以及伴流分布都有一定影響，但影響不大。

2)經(jīng)過分析比較，從改善舭渦、粘性阻力的角度出發(fā)，艏型2的效果比較明顯。

3)適當(dāng)減小進流角，并采取措施避免舷側(cè)水向船底繞流，可以有效改善艏部舭渦現(xiàn)象。

4)艏型2與艏型3的動壓分布都得到了明顯的改善。

[1] 王言英.基于阻力性能船體型線精細優(yōu)化的CFD方法[J].大連理工大學(xué)學(xué)報, 2002(3): 127-133.

[2] 彭 力，陳順懷.基于肥大船型球鼻首的參數(shù)化設(shè)計[J].船舶工程,2008(2):27-31.

[3] 陶秋霞.萬噸級江海直達肥大型散貨船線型優(yōu)化設(shè)計[J].船海工程,2009(6):1-5.

[4] 王國強，盛振邦.船舶推進[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1984.