減搖鰭與舭龍骨不同組合方式對(duì)船舶快速性影響研究

許 輝 陳 立 秦江濤

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心1） 武漢 430064） （武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2） 武漢 430063）

0 引 言

為了改善船舶在大風(fēng)浪中航行時(shí)的耐波性能，減小船體的六自由度運(yùn)動(dòng)，尤其是橫搖運(yùn)動(dòng)，通常在設(shè)計(jì)中采取各種主動(dòng)或被動(dòng)減搖措施，主要包括設(shè)置舭龍骨、減搖鰭、減搖水艙、減搖舵、以及減搖鰭與減搖水艙聯(lián)合減搖、舵鰭聯(lián)合減搖等［1－3］.其中，舭龍骨和減搖鰭應(yīng)用得較為廣泛，舭龍骨固定安裝在船體舭部，主要通過龍骨板正背面的壓差、以及改變船體表面壓力分布從而增大橫搖阻尼，起到減搖的作用，且舭龍骨的減搖效果不受航速影響；減搖鰭主要通過控制系統(tǒng)的作用不斷改變鰭角從而產(chǎn)生穩(wěn)定力矩來實(shí)現(xiàn)減搖，其減搖效果受航速影響，在低速時(shí)較差.為了保證船舶在所有航速范圍內(nèi)均具有較明顯的減搖效果，舭龍骨和減搖鰭經(jīng)常被同時(shí)裝配在船體上［4－5］.

根據(jù)舭龍骨和減搖鰭布置的相對(duì)位置不同，一般有3種組合方式：連續(xù)式舭龍骨配合前后鰭、連續(xù)式舭龍骨配合前鰭、間斷式舭龍骨配合中間鰭.由于舭龍骨、減搖鰭均處在船體邊界層和舭部渦流區(qū)內(nèi)，相互之間必然存在較為復(fù)雜的干擾，例如針對(duì)連續(xù)式舭龍骨配合前后鰭的組合方式，哈爾濱工程大學(xué)［6］曾通過在穩(wěn)定流場中測試不同轉(zhuǎn)鰭角下舭龍骨和后鰭上升力的變化，來分析鰭與舭龍骨之間的水動(dòng)力干擾.

研究表明，舭龍骨和減搖鰭的阻力一般占裸船體阻力的7%～12%，為了全面了解兩者不同的組合方式下的水動(dòng)力干擾情況，在改善耐波性的同時(shí)盡可能減小船體阻力，本文重點(diǎn)研究了不同的舭龍骨和減搖鰭組合方式對(duì)快速性的影響.

1 數(shù)值仿真研究

1.1 數(shù)值仿真模型及前處理

以某船型為例，對(duì)圖1所示的方案1（主船體＋連續(xù)式舭龍骨＋前后2對(duì)鰭）、方案2（主船體＋連續(xù)式舭龍骨＋前面1對(duì)鰭）、方案3（主船體＋間斷式舭龍骨＋中部1對(duì)鰭）分別進(jìn)行粘性流場數(shù)值仿真，其中3個(gè)方案的舭龍骨總長相等，寬度相等，減搖效果相當(dāng)，方案2和方案3的減搖鰭展舷比大于方案1.

數(shù)值計(jì)算域?yàn)橐?／4圓柱體，見圖2.采取分塊混合型網(wǎng)格劃分，共劃分約300萬個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，以方案1為例給出局部網(wǎng)格劃分情況，見圖3.

圖1 數(shù)值仿真計(jì)算模型

圖2 數(shù)值仿真計(jì)算域

圖3 局部網(wǎng)格劃分圖

1.2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，考慮到舭龍骨和減搖鰭均安裝在距離水面較深的船體舭部，因此仿真中采用合模處理，忽略興波阻力的影響，重點(diǎn)對(duì)粘性阻力進(jìn)行計(jì)算.

1）橫剖面內(nèi)流線對(duì)比分析 取圖1中A，B，C3個(gè)橫剖面內(nèi)的流線進(jìn)行對(duì)比，見圖4.

圖4 橫剖面內(nèi)流線圖

剖面A為前鰭所在的位置，方案1和方案2由于存在前鰭，在舭部產(chǎn)生了明顯的渦，而方案3由于沒有前鰭，該剖面內(nèi)的舭部流線比較順暢；剖面B為船舯位置，方案1和方案2受前鰭誘導(dǎo)作用產(chǎn)生了舭龍骨渦系，方案3由于鰭的存在產(chǎn)生明顯的渦；剖面C為后鰭所在位置，方案1由于鰭的存在以及舭龍骨渦系的影響，存在明顯的渦，方案2和方案3由于在該部位不存在鰭，因此流線略為順暢.

2）船體表面壓力等值線對(duì)比分析 圖5為3個(gè)方案的船體表面壓力等值線圖，圖中箭頭所指的部位為舭龍骨的高壓區(qū)，圖中顯示由于舭龍骨和減搖鰭的組合方式不同，3個(gè)方案的壓力分布也存在一定的差異.

圖5 船體表面壓力等值線圖

3）粘性阻力計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析 文中對(duì)1∶30縮尺比模型進(jìn)行仿真，得到對(duì)應(yīng)實(shí)船32kn時(shí)的模型粘性阻力結(jié)果見表1.

表1 粘性阻力計(jì)算結(jié)果 N

上表顯示，3個(gè)方案的船體阻力較為接近，當(dāng)采用一對(duì)減搖鰭時(shí)，鰭裝在船體前部比裝在船體舯部的阻力性能好.

2 模型試驗(yàn)研究

對(duì)上述3個(gè)方案開展模型試驗(yàn)，同時(shí)考慮到減搖鰭存在固定式和收放式，收放式鰭在靜水中不產(chǎn)生附加阻力，對(duì)考核靜水航速的船舶有利.因此將方案1的鰭做固定式考慮，將方案2和方案3的鰭做收放式考慮，在模型試驗(yàn)中增加了方案2和方案3的鰭不工作，全部收在船體內(nèi)的阻力試驗(yàn).將模型試驗(yàn)結(jié)果換算至實(shí)船后結(jié)果見表2.

表2 模型試驗(yàn)結(jié)果比較

由表2可知，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果方案1、方案2、方案3的總阻力變化規(guī)律與仿真結(jié)果相一致，另外，從定量上分析，在30kn時(shí)兩對(duì)固定式減搖鰭的阻力約占裸船體阻力2.8%，18kn時(shí)兩對(duì)固定式減搖鰭的阻力約占裸船體阻力2.5%，即相當(dāng)于在前部安裝全收放式減搖鰭，當(dāng)鰭不工作時(shí)可達(dá)到以上減阻效果，反映到航速上，在前部安裝全收放式減搖鰭比兩對(duì)固定式減搖鰭可提高靜水中的最大航速約0.13kn.

3 結(jié) 論

減搖鰭和舭龍骨是船舶附體中的重要減搖裝置，但是通過附體優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高快速性也是船舶設(shè)計(jì)的重點(diǎn).文中對(duì)不同舭龍骨與減搖鰭的布置組合，以及與固定式、收放式減搖鰭的配合，通過數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)分析，得到了與快速性相關(guān)的結(jié)論：

1）采用前后兩對(duì)固定式減搖鰭＋連續(xù)式舭龍骨、或前面1對(duì)固定式減搖鰭＋連續(xù)式舭龍骨、或舯部1對(duì)固定式減搖鰭＋間斷式舭龍骨3種組合方式時(shí)，在減搖效果相當(dāng)?shù)那闆r下阻力性能差異不大，尤其是在高速段時(shí)阻力的差異在1%以內(nèi).

2）當(dāng)采用1對(duì)減搖鰭時(shí)，前面1對(duì)固定式減搖鰭＋連續(xù)式舭龍骨的布置方式比舯部1對(duì)固定式減搖鰭＋間斷式舭龍骨的布置方式對(duì)阻力性能有利，且前者采用收放式減搖鰭時(shí)，在鰭不工作的情況下對(duì)提高靜水航速最有利.

3）在前部安裝全收放式減搖鰭，鰭不工作時(shí)相對(duì)于兩對(duì)固定式減搖鰭方案，可提高靜水中的最大航速約0.13kn.

［1］楊 輝，宋金龍.船舶減搖方式介紹及發(fā)展趨勢［J］.江蘇船舶，2007（5）：55－58.

［2］董美華，馬汝建，趙 東.船舶減搖技術(shù)研究進(jìn)展［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008（1）：42－46.

［3］金鴻章，趙為平.大型船舶綜合減搖系統(tǒng)研究［J］.中國造船，2005（2）：88－92.

［4］吳秀恒，施生達(dá).船舶操縱性與耐波性［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［5］XIE Nan，ALOS D V，LEE B S.Prediction of roll hydrodynamics of cylinders fitted with bilge kells with RANS［J］.Journal of Ship Mechanics，2007，11（6）：65－71.

［6］丁 勇，李積德.鰭與舭龍骨的水動(dòng)力干擾［J］.中國造船，1998（3）：48－53.