高速船舶阻流板降阻機理分析

王娉婷

摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的革新，高速船舶的運行安全是人們研究和關(guān)注的重點，通過對高速船舶阻流板降阻機理分析實現(xiàn)船舶運行安全。基于此，本文以高速船舶阻流板降阻機理作為研究對象，通過對高速船舶的阻力特性進行分析，分別從船舶CFD技術(shù)和二維阻流板降阻機理等方面詳細闡述高速船舶阻流板降阻機理，從而在一定程度上減小船舶的阻力，提高高速船舶的適航性，如果將高速船舶阻流板降阻機理應(yīng)用在高速船舶設(shè)計中，有利于建設(shè)節(jié)能綠色船舶設(shè)計理念，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的共同發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高速船舶；阻流板；降阻機理

引言：

改革開放以來，人們的生活水平有了穩(wěn)步的提高，人們在滿足于物質(zhì)生活的同時，對自己的精神世界有了更高的追求，人們的發(fā)展觀念發(fā)生了改變，意識到了能源的重要性，也明確了生態(tài)環(huán)保的理念。因此高速船舶阻流板降阻機理應(yīng)運而生，滿足我國能源儲備問題，迎合社會經(jīng)濟發(fā)展需求，改善能源緊缺現(xiàn)狀，改善粗放式經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，緩解社會與經(jīng)濟、能源之間的矛盾，實現(xiàn)全范圍的節(jié)能減排。

1.高速船舶阻力特性分析

高速船舶阻流板降阻機理研究中需要對高速船舶的阻力特性進行分析，高速船舶的尾部形狀一共有三種形式，第一種形式是橢圓形船尾，第二種形式是巡洋艦船尾，第三種形式是方尾，不同的高速船舶針對自己的特性都會選擇合適的尾部和首部形狀，例如方尾船尾有艉封板，如果船在高速運行的狀態(tài)下就可以選擇這種方式。這種情況下船尾的優(yōu)點就十分明顯，高速船舶的尾部坡度變小，底部幾乎處于平面狀態(tài)，高速運行時水流可以沿著船舶，以垂直的方向進行流動，極大程度上降低能量的消耗，也提高了阻力，保證了高速船舶的平穩(wěn)運行。方尾在高速船舶中使用比較普遍，英國高速船舶NPL系列、瑞典高速排水型系列以及蘇聯(lián)方尾輕型艦艇系列都是采用方尾實現(xiàn)的高速船舶阻流板降阻，科學(xué)家和設(shè)計者會通過圖譜加以理解，從中獲得參數(shù)參考，方便進一步的高速船舶阻流板降阻機理研究。

探究高速船舶阻流板降阻機理時可以對阻力進行初步的預(yù)算估計，設(shè)計船舶的時候，初始階段的設(shè)計尤為關(guān)鍵，很多尺寸參數(shù)都是從中獲得，在設(shè)計的時候不僅要結(jié)合實際需求，還要方便工作人員手工計算，在大量的試驗中可以使用圖譜法進行預(yù)估，正常行駛狀態(tài)下，高速船舶主要是借助水的浮力與動力，在二者之間的綜合作用下完成高效形式，人們使用弗勞德數(shù)計算，了解到高速船舶的航行狀態(tài)，無論是半滑行狀態(tài)還是過渡狀態(tài)都可以以此進行預(yù)估[1]。

2.高速船舶阻流板降阻機理分析

2.1船舶CFD技術(shù)應(yīng)用

近些年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和計算機技術(shù)的普及應(yīng)用，計算機與數(shù)值算法得到了飛躍性的進步，特別是計算機流體學(xué)從中有了進展，這種技術(shù)在實際應(yīng)用中和高速船舶阻流板降阻機理實驗中費用較低，沒有觸點流場測量，可以有效的消除物模通過傳感器尺寸給流場帶來的影響。在高速船舶阻流板降阻機理研究中可以應(yīng)用到船舶CFD技術(shù)，使用納維斯洛克斯方程進行計算，但是這種方程有著不可避免的缺陷，它只可以清晰的描述高速船舶阻流板降阻機理中層流的問題，但是當高速船舶運行的時候很多時候流動問題都是湍流，流速毫無變化規(guī)律，人們通過觀察無法掌握規(guī)律的運行狀態(tài)，無論是時間還是空間，高速船舶運行的速度場表現(xiàn)出隨機性，如果依舊使用傳統(tǒng)而單一的數(shù)值模擬方式進行模擬，得到的脈動結(jié)果是無法有效果的，而且經(jīng)過研究得知高速船舶阻流板降阻機理紅湍流模型尺寸，較大的漩渦會影響到高速船舶阻流板降阻機理的結(jié)果，因此，可以使用平均數(shù)的辦法解決高速船舶阻流板降阻機理中存在的無規(guī)律湍流問題，減少誤差，提高結(jié)果的精確性。

與其他的流場不同，高速船舶在水面運行的時候會有一個特殊的面存在，這個特殊面就是自由液面，自由液面的計算是實現(xiàn)高速船舶阻流板降阻機理研究的關(guān)鍵步驟，如果計算失誤會影響到結(jié)果的真實性。在眾多研究方法當中，歐拉法數(shù)值模擬比較普遍，這種方法指出了當網(wǎng)格固定不動的時候，如果使用單一的方式對高速船舶自由液面進行追蹤，追蹤的時候不需要對網(wǎng)格重新來劃分，及時模擬的自由液面十分復(fù)雜，也不會有過多過復(fù)雜的計算步驟。由此可見，初始化的網(wǎng)格設(shè)置質(zhì)量會直接影響甚至決定這高速船舶阻流板降阻機理研究與自由液面計算的精確度，即使是復(fù)雜的問題，使用歐拉法也可以迎刃而解。高速船舶阻流板降阻機理研究中通過計算流體力學(xué)，采用CFD技術(shù)進行分析，可以對一定的計算流域?qū)崿F(xiàn)模型研究，并且順利生成計算區(qū)域的網(wǎng)格。將點的集合能分布在即將計算的區(qū)域內(nèi)，在區(qū)域內(nèi)的各個點之間建立起有關(guān)聯(lián)的信息，從而實現(xiàn)信息的利用，所有的信息都會在第一時間內(nèi)被收集和存取，需要使用的時候直接取用即可。計算域會影響到高速船舶阻流板降阻機理研究的準確性，如果流域過小，整個模型的計算結(jié)果都會受到邊界的影響，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)了失真，如果流域過大，網(wǎng)格劃分的難度增加，網(wǎng)格的數(shù)量增加，這對計算機來說將要耗費大量的內(nèi)存，累計的數(shù)據(jù)會導(dǎo)致誤差存在[2]。

美國海軍近日宣布，“俾斯麥市”號（EPF-9）在2017年9月成功完成了船廠試航。它進行了艦艇準備狀態(tài)測試，包括通訊和導(dǎo)航系統(tǒng)、船舶推進、行駛控制和污染控制系統(tǒng)的校準，這是一艘鋁合金雙體船，是該公司生產(chǎn)的12艘先鋒級遠征高速運輸艦的第九艘，它將給海軍帶來高速高效的運輸能力。該船能以35節(jié)的速度滿負荷航行，可運載600噸貨物，包括坦克、兩棲突擊載具、軍人等。美國海軍方面稱如果通過了試航，這艘船將前往弗吉尼亞州的諾福克海軍基地接受培訓(xùn)與認證，然后再被派往世界各地[3]。

2.2二維阻流板降阻機理分析

高速船舶航行的過程中具有流體繞流的作用，整個船舶在航行的過程中都會受到尺寸、船型以及速度的影響，而且高速船舶航行的環(huán)境中水流的情況比較復(fù)雜，阻流板和船體互相干擾，由于船舶的類型多種多樣，即使在某一特定環(huán)境下阻流板會對高速船舶的航行造成影響，產(chǎn)生的水動力性能相同，但是船舶四周的流動以及漩渦情況也會不同，高速船舶阻流板降阻機理的針對性研究十分關(guān)鍵。二維阻流板降阻機理的分析有效提高了研究的可靠性，將三維問題進行簡化，實現(xiàn)二維狀態(tài)下的思維模式，以船舶的中縱剖面作為研究對象，將橫向流動對于流體速度的影響忽略，直接考慮對阻流板的應(yīng)先即可。如果只是單一的研究一種高速船舶的型線，就會導(dǎo)致高速船舶阻流板降阻機理研究結(jié)果過于局限，因此要采用不同的角度進行分析，尋找其中的共性和個性問題，對實體船只的中縱剖面縮放，比例10：1即可，然后使用平板來代替高速船舶的船底地板，進行模擬即可。

使用二維局部流動性模擬船舶運行的動力特征，隨著參數(shù)的變化研究變化的趨勢，二維代替了三維模擬，避免了船體對阻流板的干擾，減少計算步驟，減輕計算量，防止高速船舶阻流板降阻機理研究出現(xiàn)局限性。于此同時，研究尾部流場的影響，了解動壓里情況，分析液體的流動方向，從而保證二維模擬的狀態(tài)下高速船舶阻流板降阻機理研究更加真實，計算的結(jié)果更加準確。

總結(jié)：

總而言之，在計算機技術(shù)與多種算法的幫助與支持下，人們加深了對高速船舶阻流板降阻機理的研究，利用相應(yīng)的軟件技術(shù)，實現(xiàn)了高速船舶運行的了解，并采用二維替代三維的模式對高速船舶進行模擬，簡化了計算的步驟，使用歐拉法對自由液面進行分析，完成了高速船舶流暢的數(shù)值模擬過程，從而實現(xiàn)了研究的目的和意義。

參考文獻：

[1]黃技. 高速船舶阻流板降阻機理分析[D].大連海事大學(xué)，2013.

[2]周利蘭. 高速排水型船舶尾浪的數(shù)值研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

[3]陳鐵云，王剛.高速船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中流體沖擊載荷的數(shù)值計算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，1998（11）：32-35+45.