三體船阻力預報與側體布局的優化?

陳飛宇, 余建星, 馬維林, 劉見德, 趙羿羽

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室, 天津 300072)

三體船阻力預報與側體布局的優化?

陳飛宇, 余建星, 馬維林, 劉見德??, 趙羿羽

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室, 天津 300072)

摘要：三體船具有一系列突出的優點，它優良的快速性、耐波性和穩性等特點為其應用提供了廣闊的前景。側體布局的設計是優化其性能的關鍵，為了探究其對阻力性能的影響，本文首先在GAMBIT中創建三體船數值模型，再采用FLUENT軟件對其進行數值計算。與船模試驗相比，數值計算方法的相對誤差小于2%，同時能準確高效地捕捉到自由液面波形等流場數據，為三體船阻力預報提供了一種高效可行的方法。在此基礎上改變側體縱橫偏距，計算并分析了25種側體布局方案的興波干擾情況和阻力性能，得到了側體布置在主體興波波峰中時阻力較大，布置在主體興波波谷中時阻力較小的結論。最后根據阻力最優原則，確定了側體的最佳布置區域。不僅揭示了側體布局對三體船阻力的影響規律，還為三體實船的側體布局設計提供了新的思路。

關鍵詞：三體船； CFD； 阻力預報； 側體布局優化

引用格式：陳飛宇， 余建星， 馬維林, 等. 三體船阻力預報與側體布局的優化[J].中國海洋大學學報(自然科學版)，2016, 46(5)： 125-131.

CHEN Fei-Yu， YU Jian-Xing， LIU Jian-De, et al. Prediction on resistance of trimaran and side hull optimization[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(5)： 125-131.

21世紀是海洋的世紀，海洋考察、開發利用、海運、海防等都對船舶設計提出了更高要求。高速三體船作為一種嶄新的船型，受到了廣泛關注。

國外對三體船的研究已經持續了三十幾年，軍用及民用實船日益增多，各方面研究成果領先于中國。Suzuki和Larsson等使用三維Rankine面元法對高速三體船的興波阻力進行了數值計算[1-2]。Brizzolara等對圓舭型三體船和主體為折角線型的三體船進行了船模試驗和數值計算，對三體船的剩余阻力進行了研究[3]。Javanmardi等通過自行編制的CFD程序計算并分析了不同側體位置對三體船阻力性能和操縱性能的影響[4]。

中國對三體船的研究還處于起步階段。閆宏生等人提出了一種可調長度高速三體船的概念，并初步分析了不同側體布局下的興波干擾情況和阻力性能[5]。酈云等對主體和側體均為Wigley船型的高速三體船進行了模型試驗研究[6]。陳京普等采用改進的Dawson方法，開發了雙/三體船興波阻力數值預報程序，并考慮了方尾的處理[7]。蔡新功等利用Michell薄船理論結合模型試驗對三體船的側體布局規律進行了研究[8]。韓開佳等對新細長體理論進行改進，使之適用于卵型船等多體船型的興波阻力計算[9]。

目前的阻力研究方法中，船模試驗結果最為可靠，但船模制作耗時且費用較高，改變型線進行船型優化效率低；理論計算方法則往往要求對計算對象進行抽對船模試驗三體船型進行阻力數值模擬，將模擬結果將與船模試驗結果進行對比，驗證FLUENT軟件在三體船黏性流場數值模擬方面的可靠性；在此基礎上設計25種側體布置方案，充分研究側體布局對三體船阻力性能的影響，為側體布局優化提供指導。

1基礎理論

流體流動要受物理守恒定律的支配，控制方程就是這些守恒定律的數學描述。對于船舶阻力計算，由于不考慮熱傳導和熱交換，因此能量守恒方程自動成立。下面給出質量守恒定律和動量守恒定律對應的控制方程：

(1)質量守恒方程又稱為連續性方程，任何流動問題都必須滿足質量守恒定律，該定律可以表述為：單位時間內流場中微元體質量的增加，等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量，由此可導出流體流動連續性方程的積分形式為：

(1)

(2)動量守恒方程也稱作運動方程或N-S方程。象和簡化，復雜形體的計算難以實現[10-12]。因此本文動量守恒定律也是任何流動系統都必須滿足的基本定律，其本質是牛頓第二定律。該定律可表述為：微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。按照這一定律，可以得出在慣性(非加速)坐標系中的動量守恒方程：

(2)

式中：p是靜壓；τij是應力張量；ρgi，Fi是重力體積力和其它體積力(如離散相相互作用產生的升力)；Fi還可以包括其它模型源項或者用戶自定義源項。

2計算模型與網格參數

采用某課題的設計船型進行計算，縮尺比取0.1，即采用船模尺度進行計算，船?；緟等绫?所示。其中主體為方尾船型，長寬比為12.93；側體左右對稱，單個側體排水量占三體船總排水量的4.47%。

表1　船模基本參數

將船模橫剖面型線導入Gambit創建船體曲面及計算域，創建的船體模型如圖1所示，圖中a表示側體船舯與主體船舯的縱向距離，p表示側體中縱剖面與主體中縱剖面的橫向距離。

考慮到模型左右對稱，取一半模型進行計算。計算域入口距主體艏部0.5倍船長，出口距主體艉部2.5倍船長；船寬方向取1倍船長。計算域根據設計水線面分為空氣和水2部分，空氣層高度取4倍吃水，水深取6倍吃水。

圖1　船體模型

在Gambit中分塊劃分流場，以便采用結構網格離散空間計算域。為了準確捕捉自由液面波形，在船體表面附近及設計水線面附近加密流場。網格劃分結果如圖2所示。

圖2　流場網格

邊界條件：空氣入口和水入口均設為速度入口；出口為自由出流；對稱面采用對稱邊界條件；船體表面采用無滑移壁面條件，其余采用滑移壁面邊界條件；采用VOF模擬自由液面；采用標準壁面函數計算摩擦力。

3阻力預報方法驗證

采用上述三體船模型及參數對以下4個三體船側體布局方案進行數值模擬，航速取4.88m/s，Fr=0.677，相當于實船航速30 kn。

方案1：a=13.25m，p=7.38m；

方案2：a=13.25m，p=9.02m；

方案3：a=14.84m，p=7.38m；

方案4：a=14.84m，p=9.02m。

計算收斂后，打印阻力報告，得到各方案三體船的靜水阻力如表2所示。由于數值計算以主體中縱剖面為對稱面，只取一半模型進行模擬，因此三體船總阻力為數值計算結果的2倍。表中還列出了船模試驗相同航速下的阻力數值，同時計算出數值計算結果的相對誤差?？梢钥吹綌抵的M結果的精度很高，相對誤差最大值僅為1.65%。

表2　數值計算結果及船模試驗結果

圖3為方案3三體船自由液面波形，圖中Y表示自由液面高度。與圖4方案3船模試驗波形對比可以看到數值計算得到的波形規則平整、逼真。我們知道三體船的阻力性能在很大程度上取決于側體的位置，合理布置主側體的相對位置，能夠充分獲取片體間的有利興波干擾，使興波阻力得到最大程度的減小。而興波阻力是由船體興波引起的壓力分布的改變所產生的，因此準確模擬三體船自由液面波形是三體船阻力預報的關鍵點。

圖3　方案3波形圖

圖4　方案3船模試驗波形圖

根據上述阻力及波形對比結果，可以知道FLUENT軟件在三體船阻力數值預報中具有一定的可靠性，能夠較為準確的計算出三體船阻力，并捕捉到三體船自由液面波形等流場數據，可以作為三體船側體布局優化的一種工具。

4側體布局優化研究

下面對設計船型進行側體布局優化分析，以30 kn航速(Fr=0.677)下的總阻力為優化目標。為充分研究側體布局對三體船阻力性能的影響，分別設計了5個縱向偏距和5個橫向偏距，a/L=0～0.5，間隔為0.125，p/B=1～5，間隔為1，即a=0、6.625、13.25、19.875、26.5，p=4.1、8.2、12.3、16.4、20.5m，其中L和B分別為主體的設計水線長和設計水線寬。每個橫向偏距對應5種縱向布局，因此共有25種方案。

為了更好地研究高速三體船主側體間的興波干擾規律，本文還對三體船主、側體單獨進行數值模擬，以便和三體船進行對比。模型的網格密度、參數設定等與之前的算例相同。

計算收斂后，輸出各方案的自由液面波形圖，限于篇幅，下面給出部分波形圖(見圖5)。

圖5　自由液面波形圖

分析以上自由面波形圖，可以看出：

(1) 三體船首興波波峰的高度及位置與主體波形沒有明顯差異，舯部以前的波形也基本相同。這是因為三體船舯部以前的波形主要由主體產生，且側體布置在主體側后方，因此側體布局的變化對其影響不大。

(2) 在p=4.1m的5個方案中，側體布局縱向變化對主體舯部以后的水線產生了明顯的影響；但當p≥8.2m時，側體布局變化對主體的水線影響不大，但仍會對主體側后方波形產生較大影響。

(3) 當側體處于主體首興波的波峰中時，側體艏部內側水線急劇升高，甚至可以觀測到飛濺現象；當側體處于主體側后方的波谷中時，側體周圍的自由液面高度一般較小。

(4) 總體上，側體內側自由液面高度高于外側；側體遠離主體時，側體整體水線較低。

根據各方案計算得到的阻力數據，繪制主側體興波阻力、黏性阻力、總阻力曲線及三體船總阻力等值線，如圖6～11所示。

圖6　主體興波阻力曲線

圖7　主體粘性阻力曲線

分析上述阻力曲線，可以看出：

(1)p=4.1m時，受側體布局影響，主體阻力變化很大；p=8.2m時，側體布局對主體的影響明顯減弱；p≥12.3m時，主體阻力基本保持不變；這與圖5中的波形是一致的。對比圖6和7可以發現，主體黏性阻力與興波阻力受側體布局影響的程度差異很大，主體黏性阻力與興波阻力最大值與最小值之差分別為2.4 N和33.2 N，因此側體布局對主體阻力的影響主要體現在興波阻力上。

圖8　主體總阻力曲線

圖9　側體興波阻力曲線

圖10　側體粘性阻力曲線

(2) 側體布局變化時，側體黏性阻力與興波阻力均受到較大影響?？傮w上看，側體遠離主體時，主側體間興波干擾減弱，側體阻力變化幅度也相應減小。將阻力曲線與圖5的波形圖相結合進行分析，可以發現在側體橫向位置p相同的情況下，側體處于主體興波的波峰中時，其阻力也處于峰值。

圖11　側體總阻力曲線

圖12　三體船總阻力等值線

5結論

根據上述研究，可以得到以下結論：

(1) FLUENT軟件在三體船阻力數值預報中具有一定的可靠性，能夠較為準確的計算出三體船阻力，并捕捉到三體船自由液面波形等流場數據，可以作為三體船側體布局優化的工具；

(2) 側體布局對主體阻力的影響主要體現在興波阻力上，且僅當側體橫向位置p/B<2時有較大影響；

(3) 側體布局變化時，側體黏性阻力與興波阻力均受到較大影響。側體縱向位置不變，橫向遠離主體時，主側體間興波干擾減弱，側體阻力變化幅度也相應減?。粋润w橫向位置不變，則當側體布置于主體興波的波峰中時，側體阻力最大，布置于主體興波的波谷中時，側體阻力最小；

(4) 僅考慮阻力最優，則三體船側體的最佳布置位置為0.25≤a/L≤0.5，1≤p/B≤2的區域。

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責任編輯陳呈超

Prediction on Resistance of Trimaran and Side Hull Optimization

CHEN Fei-Yu, YU Jian-Xing, MA Wei-Lin, LIU Jian-De, ZHAO Yi-Yu

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract:Trimaran has a series of outstanding merits, its excellent performance of speediness, sea-keeping and stability have made it a wide application. Although the trimaran, a new type of hull form with excellent performance, has received more and more attention, problems still exist in studying its hull form and the arrangement of side hulls is the key factor to optimize its performance. Here, viscous computational fluid dynamics (CFD) technology was applied to research resistance performance of a trimaran. In order to explore the impact on the performance of resistance, the numerical trimaran model was designed first in GAMBIT, then conduct numerical calculation in FLUENT software, while taking free surfaces and flow viscosity into consideration. To validate the simulation results, conduct ship model test to calculate the resistances of the target trimaran with different layouts. And convert the experiment results to the practice ship by the two-dimensional and ‘1+k’ resistance calculation method, then compare the experiment results with the simulation results. Compared with model test results, the relative error of numerical resistance results is less than 2%, at the same time the information of the flow field was accurately captured, such as the waveform of the free surface, proves the reliability of FLUENT in predicting trimaran resistance. Then the wave-making interference and resistance performance for 25 different side hull configurations were computed and analyzed. The results show that the total resistance is higher when the side hulls are arranged in the peak of main hull wave and smaller when arranged in wave trough. In conclusion, the best area for side hull arrangement is signed out based on the principle of total resistance optimization. Not only reveals the influence rules of side hulls arrangement on trimaran resistances, but also offers a new method for the design of trimaran side hulls arrangement. At the same time, an apparent discrepancy in calculated and test results at high Froude numbers shows that the application or the code itself should be improved.

Key words:Trimaran; CFD; resistance prediction; side hull optimization

基金項目：? 國家重點基礎研究發展計劃項目(2014CB046803)；國家自然科學基金創新研究群體科學基金項目(51021004)；國家自然科學基金項目(51239008)；海洋工程國家重點實驗室(上海交通大學)開放課題項目(課題編號1201)資助

收稿日期：2014-06-20；

修訂日期：2015-01-15

作者簡介：陳飛宇(1987-)，男，博士生，主要研究方向為船舶流體力學、結構系統可靠性分析與優化等。 ??通訊作者：E-mail：thisismrliu@163.com

中圖法分類號：U674.951

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)05-125-07

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140236

Supported by the Major State Basic Research Development Program of China,(2014CB046803)；Project supported by the Foundation for Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China (51021004)；Project supported by the State Key Program of National Natural Science of China(51239008)；Project supported by the State Key Laboratory of Ocean Engineering (Shanghai Jiao Tong University)