基于CFD方法的球鼻首減阻優化研究

劉暢　謝家榮　林慰

摘 要：本文采用CFD技術進行球鼻首設計與優化。CFD方法可準確模擬船體繞流流場，預報船體阻力。經過方案設計與優選，水滴型球首數值計算減阻效果接近6%，船模試驗減阻效果超過3%，表明采用CFD方法可預報高雷諾數下的船舶阻力，是船舶性能優化的前沿技術。

關鍵詞： 球鼻首；CFD；FLUENT；VOF；RANS

中圖分類號：U661.31+1 文獻標識碼：A

Abstract：Based on CFD approach， a scheme is proposed for bulbous bow design and optimization. The streaming field around the hull is precisely simulated and the resistance is accurately predicted. The drag reduction by the recommended bulbous bow could come to 6% while 3% is obtained by the model resistance test. It is demonstrated that CFD approach should be appropriately applied to resistance prediction in high Re number and it should be an advanced technique for hull form optimization.

Key words：bulbous bow；Bulbous bow；CFD；FLUENT；VOF；RANS

球鼻首設計與優化作為普遍應用的船舶減阻技術，可運用在不同航速范圍的船舶上。在船舶上采用球鼻首設計常能取得減小興波阻力、破波阻力和舭渦阻力等效果。球鼻首設計是一個比較復雜的問題，應根據船型特征、浮態、吃水和航速等具體條件進行形狀及其相應參數優化。球鼻首的設計需要解決兩個關鍵問題：一是球鼻首主尺度的設計；二是設計球鼻首的船體阻力性能預報。

采用CFD進行船型阻力研究與預報是船型設計研究的前沿技術，近十年來業界不斷有對復雜外形物體（包括附體、螺旋槳、舵等）流場模擬、實船雷諾數計算和并行運算的應用等方面的研究論文發表[1-4]。鑒于實船阻力預報的諸多困難，當前國內對于船舶阻力的預報多見船模阻力預報而少見實船阻力預報 [5-8]。

本文采用CFD方法直接對實船船型進行阻力研究與預報。研究工作以新型10 t旋轉吊航標工作船的船型為優化目標，基于CFD方法建立實船阻力分析的水動力計算模型，以阻力指標為優化目標，按“尺度設計 → 型線設計 → 數值模擬 → 調整船體首部型線 → 數值模擬”的優化過程，逐步逼近最優的船體首部球鼻首型線。

1 球鼻首設計概要

根據塞維爾雷夫（Silverleaf）通過大量試驗資料分析提出的球鼻首效果限界方形系數式子： 。經檢驗，目標船的 大于限界方形系數，滿足設計要求。針對航標工作船其首肩肥大的特點，設計SV、水滴、球形共3類球鼻首，探討球鼻首的形狀及其相應長度、高度對目標船的航行阻力的影響，搜索與船體匹配最優的球鼻首。分別設計7型球鼻首，其主要參數如表1所列。

根據表1所列球鼻首主尺度參數及原船的型線進行線型3D光順。按照球鼻首主尺度參數，利用原船縱剖面進行拉伸變換、3向光順，不斷反復調整，設計出目標球鼻首。

2 CFD方法的驗證

本文采用FLUENT軟件的RANS湍流模型對船體模型周圍流場離散化求解。3D船體阻力計算由于考慮到重力的影響，壓力插值方式采用體積力加權方式；壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法；動量方程的離散格式采用有界的中心差分格式；采用VOF方法模擬自由表面。出于節省計算時間考慮，本文數值計算模型采用半船模型（計算模型對稱于縱中剖面）。

計算模型：坐標原點定于船體中縱剖面內船底基線與舵柱的交點；X軸沿船長方向指向船尾，Y軸沿船寬指向右舷，Z軸垂直向上。來流方向沿X軸；上下左右四個邊界均為對稱邊界；出口端部的邊界條件設置為壓力出口邊界。整個流場的網格均采用四面體非結構化網格，靠近船體區域的網格較密，越遠離船體：網格逐漸稀疏化，如圖1所示。

數值計算的總阻力以及其各個成分與其船模試驗結果偏差很小，如表2所示。通過模型試驗檢驗說明上述的計算域的大小、計算域的邊界條件、時間步長以及網格的劃分是合理的。

3 CFD方法的數值模擬結果

原船自由表面如圖2所示。選取Waterdrop_II型球鼻首作為重點考察的球鼻首首形，其自由表面如圖3所示。由圖中可觀察到船體周圍的首艉興波（尾部橫波）及肩波。比較兩圖可觀察到的一個明顯的現象：加裝球鼻首后，船首部進流角減小，船首部水流阻塞得到一定程度的改善。結合表3數值計算的結果，說明新設計的球鼻首對降低船首部水流阻塞起到一定的積極作用，降低了船體興波阻力。

根據數值計算的結果，列出設計吃水下原船阻力與加裝各型球鼻首后阻力的數值計算結果進行比較，如表3所列，分析表3數據可以得到以下結論：

1）由阻力數值計算的結果可知，對比原船阻力計算值，船體加裝球鼻首后摩擦阻力或輕微增大或輕微減小。其主要原因是球鼻首增大了船的水線長度，根據1957 ITTC摩擦阻力系數公式，加裝球鼻首后船體的摩擦阻力系數減小而濕表面積輕微增大。綜合二者的變化船體的摩擦阻力輕微增大或輕微減小。

2）對比加裝 SV_II 與SV_II_up 兩型球鼻首的船體設計，二者的排水體積和濕表面積相近，而 SV_II_up 的球鼻首形心高度比 SV_II 的高。對于總阻力，SV_II 比原船降低2.135% 而 SV_II_up 比原船增大1. 719%。說明對于本優化目標船舶，球鼻首較低的形心高度對船體阻力較為有利。endprint

3）對比加裝 Waterdrop_I 與Waterdrop_II 兩型球鼻首的船體設計，Waterdrop_I 的球鼻首長度為 1.671 m，Waterdrop_II 為 2.210 m ，其余參數基本一致。對比原船計算值，Waterdrop_I 剩余阻力降低1.677%，Waterdrop_II 降低8.641%。說明在一定范圍內，球鼻首的長度越長，對船體的剩余阻力越有利。

4 物理模型試驗驗證

為了檢驗CFD數值計算的準確性與合理性，選取阻力性能優秀的Waterdrop_II球鼻首進行船模拖曳試驗。試驗船模縮尺比為11.0615，結果按照船模與實船相似律原理，采用二因次法將模型阻力換算至實船。實驗結果見圖4和表4。

船舶阻力各個成分的CFD數值計算結果與物理試驗結果如表5所示，通過對比CFD數值計算結果與船模試驗結果可以發現，剩余阻力的最大誤差在9%左右，而摩擦阻力的誤差在1%左右，總阻力的最大誤差在6%左右。總體而言，船模試驗結果比CFD數值計算結果略高，分析原因如下：

1）船模試驗在船首部安裝了激流絲近似模擬實船的湍流環境，但激流絲產生的湍流與實際情況有所偏差；

2）船舶試驗采用二因次換算的方法，換算的結果會比實船的真實阻力值偏大；

3）由于數值計算所需硬件條件的限制，在保證準確性與快速性的前提，選取一套折中的數值計算網格，水動力網格的單元尺寸設置合理但未及精細。

盡管CFD數值計算存在一定的誤差，但其精度水平可滿足球鼻首設計與優化的要求，豐富了船型優化的手段。另外，對比圖3與圖4可表明CFD數值模擬能準確捕捉自由表面的特征，這對于通過繞流流場分析進行船型線性優化是一大促進。

5 結論

本文提出一套采用CFD方法進行球鼻首設計研究的方案：設計（圖譜） → CFD數值計算優化 → 模型試驗（阻力試驗） → 微調整定型。

通過船模試驗驗證表明所設計的水滴型球首具有優良的減阻效果：數值計算的結果顯示水滴型球首的減阻效果接近6%（5.970 %）；船模試驗的結果顯示水滴型球首的減阻效果超過3%（3.446%）。CFD方法可模擬高雷諾數下實船的繞流流場，準確預報實船的阻力性能，為球首型線優化提供參考。

參考文獻

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