計(jì)及縱傾影響的金槍魚(yú)圍網(wǎng)船最優(yōu)阻力數(shù)值研究

呂 俊 ，王化明，2，陳 林 ，趙春慧

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316022；3.浙江海洋大學(xué)東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316004）

金槍魚(yú)圍網(wǎng)船是一種大型遠(yuǎn)洋漁業(yè)船型，采用圍網(wǎng)的方式捕撈金槍魚(yú)、鰹魚(yú)等。由于金槍魚(yú)游速快，故而金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船的航速就成了決定網(wǎng)次產(chǎn)量的一個(gè)重要因素，這種船型所需航速一般在14～18 kn，遠(yuǎn)高于普通漁船。早在1998年，周崇慶等[1]提出通過(guò)船型優(yōu)化來(lái)提高金槍魚(yú)圍網(wǎng)船航速以達(dá)到增產(chǎn)的目的，受限于當(dāng)時(shí)條件，僅對(duì)船型系數(shù)做了理論優(yōu)化，未對(duì)金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

近年來(lái)，隨著計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的大幅提高，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始通過(guò)CFD數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算與對(duì)船舶水動(dòng)力性能進(jìn)行研究。在船舶阻力方面，周崇慶等[1]從船型系數(shù)優(yōu)化上對(duì)金槍魚(yú)快速性進(jìn)行了研究；楊斌方等[2]借助CFD對(duì)遠(yuǎn)洋漁船進(jìn)行了準(zhǔn)確的阻力預(yù)報(bào)；在縱傾對(duì)船舶阻力影響方面，SUBRAMANI,et al[3]在考慮船舶航態(tài)變化的前提下對(duì)FF1052和S60船型進(jìn)行了CFD阻力計(jì)算并和船模實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比得到了一致的整體變化趨勢(shì)；王偉等[4]對(duì)KCS模型進(jìn)行不同縱傾角度的數(shù)值模擬，認(rèn)為帶球鼻艏船型過(guò)度縱傾會(huì)導(dǎo)致鈍球艏效應(yīng)增加了興波阻力。對(duì)遠(yuǎn)洋金槍魚(yú)圍網(wǎng)船阻力計(jì)算及減阻方法，國(guó)內(nèi)尚未有詳細(xì)的研究，本文采用CFD軟件STAR-CCM+對(duì)某型金槍魚(yú)圍網(wǎng)船進(jìn)行阻力數(shù)值預(yù)報(bào)并以預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)計(jì)算了不同縱傾角對(duì)該型漁船的阻力影響，以期為大型金槍魚(yú)圍網(wǎng)船的設(shè)計(jì)、建造提供參考依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

本文研究中流體為不可壓縮流體，所以依照雷諾平均法(Reynolds Averaged Navier-Stokes RANS)來(lái)研究湍流流動(dòng)，其基本控制方程為：

上述（1）式為不可壓縮流體的連續(xù)性方程，（2）式為雷諾平均法下的動(dòng)量守恒方程，其中ui為i方向上的平均速度；ρ為流體質(zhì)量密度,根據(jù)LARSSON,et al[6]的報(bào)告中的結(jié)論，本文選用了可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型進(jìn)行方程閉合，可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型的基本輸運(yùn)方程為：

其中

在上述方程中Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);Gb是由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Ym表示可壓縮湍流中，湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;C2，C1ε是常量；σk和σε是湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流Prandtl數(shù)，Sk和Sg是自定義的源項(xiàng)，在本文中研究的流體為不可壓縮流體，故Gb=0，Ym=0,其余湍流模型常量 C1ε=1.44,C2=1.9,σk=1.0,σε=1.2。

另外，在需要計(jì)算興波的工況中，選用VOF（Volume of Fluid）方法對(duì)自由面進(jìn)行捕捉，其方程為

其中α為計(jì)算水的體積分?jǐn)?shù)，表示單元網(wǎng)格中液體部分所占比，即α=0時(shí)網(wǎng)格全部在空氣中，即α=1時(shí)網(wǎng)格全部在水中，0＜α＜1時(shí)網(wǎng)格內(nèi)存在自由液面。

2 數(shù)值計(jì)算模型

表1 船模實(shí)船主尺度表Tab.1 Principal dimensions of ship

本文數(shù)值計(jì)算金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船模型與實(shí)船縮尺比取為λ=1：20，兩者主要船型參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)實(shí)船型線使用三維繪圖軟件，建立了船體幾何實(shí)體外形如圖1所示。

在計(jì)算域的選取上，選取上游1倍船長(zhǎng)，舷側(cè)1.5倍船長(zhǎng)，水深1.5倍船長(zhǎng)，下游方向?yàn)榱擞^察完整尾部波形設(shè)置為3倍船長(zhǎng)，由于船舶為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故本文只取船體及計(jì)算域左半進(jìn)行計(jì)算，上游面、底面、頂面、側(cè)面為速度進(jìn)口；下游為壓力出口；船中平面設(shè)為對(duì)稱面，這樣能準(zhǔn)確模擬船舶在無(wú)限制水域的航行情況，計(jì)算域見(jiàn)圖2，采用切割體網(wǎng)格對(duì)整體計(jì)算域進(jìn)行離散，在近壁面處采用層柱網(wǎng)格進(jìn)行加密，總計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到260萬(wàn)。

圖1 船體三維視圖Fig.1 3-D view of hull

圖2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分Fig.2 View of computational domain and mesh

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

首先對(duì)正浮狀態(tài)下的金槍魚(yú)船的以不同航速航行時(shí)的阻力進(jìn)行預(yù)報(bào)，然后再選取典型工況采用CFD方法計(jì)算不同縱傾狀態(tài)下金槍魚(yú)船的阻力，通過(guò)比較得到阻力最優(yōu)的縱傾狀態(tài)。

3.1 正浮狀態(tài)船體阻力預(yù)報(bào)

阻力預(yù)報(bào)工況和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 阻力計(jì)算結(jié)果Tab.2 The cases and result of ship resistance

其中工況5是實(shí)船最高作業(yè)航速18 kn[1]。表中F為船模總阻力；Ct為總阻力系數(shù)，Cf為摩擦阻力系數(shù)，Cp為壓阻力系數(shù)；所有阻力系數(shù)遵循同一無(wú)量綱化公式，其中ρ為液體密度；Vm為船模航速；S為船模濕表面積由VOF體積分?jǐn)?shù)在船體表面曲面積分得到，各項(xiàng)阻力系數(shù)隨速度增長(zhǎng)趨勢(shì)如圖3。

圖3 阻力系數(shù)與速度關(guān)系圖Fig.3 The relation between resistance coefficient and velocity

從圖3可以看出，摩擦阻力系數(shù)隨著速度的增加而緩慢下降而壓阻力系數(shù)隨著速度的增加而增加，在Fr＞0.35后船舶壓阻力急劇增長(zhǎng)超過(guò)摩擦阻力成為主要阻力成分，這與實(shí)際情況是相符的；值得注意的是，在金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船拖網(wǎng)作業(yè)航速0.25≤Fr≤0.327[1]此時(shí)船速較高但仍未達(dá)到阻力急劇增大段的航速，所以將此型金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船最高航速設(shè)計(jì)在18 kn是符合節(jié)能高效的船舶設(shè)計(jì)思想的。

圖4為不同航速下船模航行興波的情況。對(duì)比興波可以看出，在作業(yè)工況下金槍魚(yú)船的興波仍然是較小的，符合圖3的趨勢(shì)即在工作工況下摩擦阻力是船舶航行的主要阻力成分，船舶推進(jìn)功率沒(méi)有過(guò)多地浪費(fèi)在剩余阻力上，這樣就可以有效節(jié)省燃油從而節(jié)省航行成本。

圖4 靜水條件下不同航速的興波波高等值線圖Fig.4 The wave height contour map in different velocity

3.2 縱傾對(duì)阻力影響

金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船屬于大型高速漁船，在船舶阻力問(wèn)題計(jì)算中，在一定航速下，大型排水型船舶存在最佳尾傾角度，在此角度下船舶航行阻力最小。研究表明[4]調(diào)整船舶尾傾角度具有較好的節(jié)能減排效果，經(jīng)濟(jì)效益高，操作便捷，而且?guī)缀醪挥绊懘斑\(yùn)營(yíng)能力。

本文設(shè)計(jì)了8種不同的縱傾角度（取尾傾為正）對(duì)金槍魚(yú)船進(jìn)行了阻力數(shù)值計(jì)算，并將其和正浮狀態(tài)下的阻力進(jìn)行比對(duì)，得出阻力增減比[5]最大的角度。

各個(gè)縱傾工況縱傾增減比如見(jiàn)表3。

表3 各縱傾工況下的阻力增減比Tab.3 The resistance reduction ratio in different trim cases

從阻力增減比可以看出8個(gè)縱傾工況中0.91°縱傾工況下阻力最優(yōu)，相比于正浮姿態(tài)阻力減少了7.81%，同時(shí)也可以看出過(guò)大的縱傾反而會(huì)造成阻力的增大，不利于船舶的快速性。在各項(xiàng)阻力成分隨縱傾變化趨勢(shì)圖（圖5）中，為了便于觀察各項(xiàng)阻力系數(shù)變化情況，縱坐標(biāo)將總阻力系數(shù)Ct、摩擦阻力系數(shù)Cf、壓阻力系數(shù)Cp擴(kuò)大了1 000倍進(jìn)行比對(duì)?？梢钥闯?，在摩擦阻力系數(shù)隨縱傾角度的變化改變不大，但是壓阻力隨縱傾角度變化改變明顯。通過(guò)對(duì)不同角度下船艏興波情況的對(duì)比（圖6），可以看出當(dāng)船體正浮時(shí)船艏興波較大；縱傾1°時(shí)興波較正浮時(shí)小、球鼻艏上水面未出現(xiàn)明顯變化；當(dāng)縱傾2°興波繼續(xù)減小，但是由于球鼻艏距離水面距離較近，出現(xiàn)了球鼻艏興波；當(dāng)縱傾達(dá)到4°時(shí)球鼻艏超出靜水面，產(chǎn)生了鈍球艏現(xiàn)象，球艏減阻效果降低。同時(shí)縱傾過(guò)度導(dǎo)致的方形尾部入水過(guò)多，尾流低壓區(qū)加大，造成壓阻力的增加。這也符合圖5中的阻力在1°后增長(zhǎng)的情況。

圖5 各阻力成分隨縱傾角度變化圖Fig.5 The relation between resistance coefficient and trim angle

圖6 不同縱傾角度下船艏球鼻艏興波情況Fig.6 The bow view of different trim angle

4 結(jié)論

本文采用基于RANS方程求解和自由面捕捉技術(shù)的粘性流數(shù)值方法，以某92 m金槍魚(yú)圍網(wǎng)船為對(duì)象，計(jì)算了不同航速下正浮狀態(tài)的船體阻力，并針對(duì)典型航行工況選擇若干縱傾角，計(jì)算并分析了縱傾對(duì)船體阻力的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：（1）適度尾傾可以有效減少船舶航行阻力；（2）尾傾后船舶阻力減少主要源于壓阻力的降低，尾傾對(duì)船摩擦阻力影響不明顯；（3）帶有球鼻艏的船舶在過(guò)度尾傾后反而會(huì)增加興波加大航行阻力。研究結(jié)果可為今后設(shè)計(jì)大型金槍魚(yú)圍網(wǎng)船進(jìn)行阻力性能優(yōu)化提供有益參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]周崇慶,賈 復(fù),陳 龍.金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船的快速性分析[J].中國(guó)水產(chǎn)科學(xué),1998,5(4):77-81.

[2]楊斌方,王化明,潘小軍.基于CFD的遠(yuǎn)洋漁船阻力預(yù)報(bào)研究[C]//浙江省造船工程學(xué)會(huì).第七屆長(zhǎng)三角地區(qū)船舶工業(yè)發(fā)展論壇論文集.2011:221-225.

[3]SUBRAMANI A K,PARERSON E G,STERN F.CFD calculation of sinkage and trim[J].Journal of Ship Research,2000,44(1):59-82.

[4]王 偉,孫守超,郭春雨,等.船舶最佳縱傾及節(jié)能[J].應(yīng)用科技,2017,44(3):1-4.

[5]張 劍.基于縱傾優(yōu)化的船舶能效研究[D].大連:大連海事大學(xué),2015.

[6]LARSSON L,STERN F,VISONNEAU M.CFD in ship hydrodynamics-Results of the Gothenburg 2010 Workshop[C]//Proceedings of IV International Conference on Computational Methods in Marine Engineering(MARINE,2011).2011:17-36.

[7]王 中,盧曉平,付 攀.三體船升沉和縱傾計(jì)算及其對(duì)興波阻力的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,44(10):1 388-1 392.[8]倪崇本,朱仁傳,繆國(guó)平,等.計(jì)及航行姿態(tài)變化的高速多體船阻力預(yù)報(bào)[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A輯,2011,26(1):101-107.