客滾船風(fēng)洞試驗與數(shù)值計算

荊豐梅，孫志遠,馬偉佳

1. 北京石油化工學(xué)院 機械工程學(xué)院，北京 102617 2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001 3. 工業(yè)和信息化部 產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心，北京 100846

隨著國際運力提升，船舶也呈現(xiàn)大型化的趨勢，風(fēng)阻對船舶的航行以及操縱的影響越來越引起學(xué)者的關(guān)注。在港口中的對船舶操縱性較高等限制水域, 準(zhǔn)確地了解風(fēng)阻對確定船舶的泊位尤其重要，同時船舶上層建筑結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計也需要把風(fēng)力的影響考慮在內(nèi)，然而船舶實際使用時風(fēng)阻的選取常常引自規(guī)范或者相關(guān)文獻。有鑒于此，準(zhǔn)確地估算船舶的風(fēng)阻是船舶設(shè)計階段很重要的一步。

為了預(yù)估風(fēng)阻對船舶的影響，許多學(xué)者做了大量的工作[1-4]。而通過試驗測量風(fēng)阻的文獻相對較少，除了Blendermann[5-6]對集裝箱船做了風(fēng)洞試驗, 并且基于試驗推導(dǎo)出了風(fēng)阻以及相應(yīng)的力矩系數(shù)外，Andersen[7]通過風(fēng)洞試驗，研究了縮尺比為1∶450的9000+TEU巴拿馬型集裝箱船不同裝載形式的風(fēng)阻特性。

此外，隨機計算流體力學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)值計算方法成為對船舶空氣流場研究的重要工具，為了驗證數(shù)值方法對于計算船舶風(fēng)阻的準(zhǔn)確性，Yelland[8]和蔡文山[9]通過數(shù)值方法模擬船舶遭遇不同風(fēng)速及風(fēng)向角時集裝箱船的繞流場，Wnek[10]也利用通過數(shù)值方法計算了LNG在不同迎風(fēng)角下的受力及力矩，以上研究與試驗結(jié)果吻合較好。為了提高數(shù)值方法計算的精度，Ignazio[11]采用不同網(wǎng)格尺度以及多種湍流模型對帆船阻力和升力的計算，Meroney[12]研究了CFD中不同的物理模型的選擇對風(fēng)阻計算精度的影響，Janssen W D[13]通過數(shù)值方法研究了不同集裝箱擺放形式下受到的風(fēng)載特性，與試驗結(jié)果吻合較好，Saydam A Z[14]利用數(shù)值方法計算了不同風(fēng)向角下船舶受到的風(fēng)阻，并與經(jīng)驗公式進行對比，結(jié)果表明數(shù)值計算有較為精確的計算結(jié)果。此外一些學(xué)者基于試驗基礎(chǔ)，包括實船試驗[15]和風(fēng)洞試驗[16]等對數(shù)值方法進行驗證，證明了數(shù)值方法對于計算風(fēng)阻的有效性，同時對于利用實船遭遇實際風(fēng)速的測量，數(shù)值方法也提供了減小相對風(fēng)速測量偏差的方法[17]。

風(fēng)洞試驗由于需要消耗大量的人力物力，其重復(fù)成本高，對于典型船型的風(fēng)洞試驗多集中于大型集裝箱船，而對客滾船的研究較少，并且對船舶速度流場與風(fēng)阻關(guān)系的研究亦不充分。本文通過試驗研究某客滾船不同風(fēng)向角下風(fēng)阻特性，對客滾船典型風(fēng)向角下尾流場特性對所受風(fēng)阻的影響進行分析。

1 模型試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗客滾船模型采用3D打印技術(shù)加工制作，可有效保證船體型值的準(zhǔn)確性?？蜐L船模型由上船體和下船體兩部分組成，客滾船模型與實船縮尺比為1∶100。模型主要參數(shù)見表1。

表1 模型主要參數(shù)

1.2 客滾船風(fēng)阻試驗方案

本次試驗于中國航空工業(yè)空氣動力研究院(哈爾濱)FL-8風(fēng)洞進行。該風(fēng)洞為低速單回路閉口風(fēng)洞，試驗段截面為切角矩形，其主要參數(shù)見表2。

表2 風(fēng)洞主要參數(shù)

圖1 客滾船風(fēng)阻試驗

試驗?zāi)Ｐ筒捎脝沃U腹撐支撐形式，模型和天平連接，天平通過支桿連接到迎角和側(cè)滑角控制機構(gòu)上，模型的姿態(tài)由迎角、側(cè)滑角機構(gòu)和姿態(tài)角控制系統(tǒng)配合完成。本次試驗用地板模擬水面，地板與客滾船船底之間的距離為16 mm。試驗針對模型的各個狀態(tài)，階梯式改變模型的側(cè)滑角，在風(fēng)速一定的情況下，對模型氣動力及力矩進行測量，為消除支架對模型氣動力的干擾，試驗進行支架干擾的試驗修正。

2 數(shù)值計算

2.1 數(shù)值求解方法

用CFD軟件STAR-CCM+對船模進行數(shù)值研究，從N-S(navier-stokes)方程出發(fā)對滑行艇的粘性流場進行模擬，采用RANS(reynolds-averaged navier-stokes)方程方法對N-S方程進行求解?？刂品匠痰膶α骱驼承皂椌捎枚A離散化方法，采用SIMPLE算法進行壓力與速度的耦合求解，連續(xù)性方程和動量方程如下：

ω的輸運方程為

式中，Gk和Gω代表平均速度梯度所引起的湍流動能；Yk和Yω則表示關(guān)于k和ω的湍流耗散項。

2.2 計算域劃分

試驗時來流以均勻流的狀態(tài)水平作用于船體，所以數(shù)值計算時設(shè)置速度進口邊界條件為恒定速度來流，壓力出口邊界條件為自由流出邊界，底部不可滑移壁面表示地板，船體表面也設(shè)置為不可滑移壁面，計算域的頂部設(shè)置為滑移壁面。

對試驗?zāi)Ｐ偷氖茱L(fēng)狀態(tài)進行數(shù)值模擬時，由于客滾船在試驗的過程中依靠單腹桿支撐，通過單腹桿的旋轉(zhuǎn)帶動船模改變迎風(fēng)角。鑒于此，對建立數(shù)值模型以進行風(fēng)洞數(shù)值模擬時，通過建立一個較大的外域模擬整個風(fēng)洞的流場，通過改變船模的角度模擬不同的迎風(fēng)狀態(tài)。為保證最大程度模擬實際風(fēng)洞試驗中的流場，將計算域的長度、高度、寬度與試驗風(fēng)洞參數(shù)值相同，并且船模的位置也與試驗中船模的位置保持一致。具體計算域劃分形式如圖2。

圖2 計算域劃分示意

分析模型受力狀態(tài)時是以建立在船舶上的隨船坐標(biāo)系為參考系，船舶的隨船坐標(biāo)系不同于風(fēng)洞的大地坐標(biāo)系。隨船坐標(biāo)系如圖2所示，坐標(biāo)系原點O位于模型力矩參考中心(重心)，X軸為縱軸，平行于船體中縱軸線指向前方為正；Y軸為橫軸，垂直于船體中縱對稱面，指向右舷為正；Z軸為豎軸，垂直于縱軸指向上方為正。

船模風(fēng)洞試驗作用于船體的力和力矩定義如下：

X軸方向受到的力為縱向阻力，指向X軸負向為正；

Y軸方向受到的力為橫向阻力，指向Y軸正向為正；

繞Z軸旋轉(zhuǎn)為偏航力矩，船艏轉(zhuǎn)向右舷一側(cè)為正。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是 CFD 模擬過程中較為耗時的環(huán)節(jié),也是直接影響模擬精度和效率的關(guān)鍵因素之一。客滾船有較為復(fù)雜的外形表面，對于這種三維曲面很難直接生成較為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，為了更好地呈現(xiàn)客滾船構(gòu)型，模型表面采用1%L進行網(wǎng)格劃分。并在流域內(nèi)設(shè)置加密區(qū)，船體周圍加密區(qū)為底面直徑為1.5L的圓柱，同時在背風(fēng)區(qū)設(shè)置矩形加密區(qū)以更準(zhǔn)確捕捉流場變化較為劇烈的流動細節(jié)。由于空氣的粘性影響，氣流會在船體表面形成以層流形式流動的邊界層，邊界層內(nèi)的層流會對船模受到的摩擦阻力產(chǎn)生顯著影響，同時遠離船體流場主要以湍流形式流動，所以在船體表面設(shè)置棱柱層網(wǎng)格對層流細節(jié)進行捕捉。邊界層網(wǎng)格y+取0.4，采用Ally+Wall Treatment壁面處理方式，船體表面網(wǎng)格對船體形狀的捕捉良好。最終計算域的網(wǎng)格總數(shù)為126萬，計算域網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計算域網(wǎng)格劃分

本次試驗風(fēng)向角β為0°～180°，每15°一個角度，共13個角度，β= 0°表示船艏正迎風(fēng)的工況，β= 90°表示左舷遭遇正橫風(fēng)的工況，β= 180°表示來流從船尾流向船艏，具體風(fēng)向角如圖4所示。

圖4 船模迎風(fēng)角表示

本文基于上述數(shù)值方法，對客滾船的縱向阻力、橫向阻力及偏航力矩進行數(shù)值模擬，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較如圖5～7。

圖5 不同風(fēng)向角下縱向風(fēng)阻曲線

圖6 不同風(fēng)向角下橫向風(fēng)阻曲線

圖7 不同風(fēng)向角下力矩曲線

將數(shù)值方法得到的歷經(jīng)各風(fēng)向角的縱向力、橫向力和偏航力矩與試驗值進行對比分析，雖然計算值較試驗值略低，但是整體曲線吻合較好，數(shù)值方法對風(fēng)載荷計算具有較好的一致性。

隨著風(fēng)向角的增加，客滾船的縱向風(fēng)阻呈現(xiàn)接近正弦曲線的變化，同時在β=35°和β=145°附近存在兩個方向相反的阻力峰，而且縱向風(fēng)阻曲線并不嚴格遵循正弦曲線變化，這與客滾船關(guān)于中橫剖面結(jié)構(gòu)不對稱有關(guān)。

橫向風(fēng)阻曲線呈現(xiàn)出類似拋物線變化的規(guī)律，偏航力矩在船舶迎風(fēng)角較小或接近順風(fēng)時變化較大，而當(dāng)迎風(fēng)角處于50°<β<130°時幾乎不變。

2.4 典型迎風(fēng)狀態(tài)下速度場

選取文中計算的典型工況進行流場分析，分別為風(fēng)向角β=0°、β=45°、β=90°、β=135°共4個風(fēng)向角的流場，β=0°時，水面以上計算區(qū)域的流場分布如圖8所示，截取流場的速度分布平面高度為距客滾船船模底面0.2 m。

(a)船模周圍氣流速度場

(b)船模周圍流線分布圖8 β=0°船模周圍流場形態(tài)

迎風(fēng)狀態(tài)時客滾船角區(qū)存在后臺階樣式的流動分離，由于客滾船在艉部上層建筑存在凹陷，而流動在此位置形成似水區(qū)。從流線圖中可以看出，當(dāng)船模正迎風(fēng)時(β=0°)，流線在貼近船體表面流動變化較為明顯，且尾流場流線變化只存在于船體正后方狹長的區(qū)域內(nèi)，流線整體平緩且對稱。

如圖9所示為β=90°時船模周圍流場形態(tài)，在遭遇橫風(fēng)時，因客滾船水面以上建筑的阻滯作用，模型背風(fēng)面船艉附近存在尾渦，尾渦的區(qū)域產(chǎn)生低壓區(qū)，導(dǎo)致在橫向風(fēng)阻較大。此時流線關(guān)于船體中橫剖面接近對稱分布，從艏艉產(chǎn)生并且延伸到船體中部的流線出現(xiàn)類似圓環(huán)的形態(tài)，流線形成旋渦運動一周后又回流到艏艉兩端并從兩端匯向中部流向后方。從能量角度這是極大地改變初始流線的運動規(guī)律，表現(xiàn)在風(fēng)阻上就會增大船體受到的阻力。

(a)船模周圍氣流速度場

(b)船模周圍流線分布圖9 β=90°船模周圍流場形態(tài)

圖10、11所示分別為β=45°和β=135°時船模周圍流場形態(tài)。從圖中可以看出當(dāng)船體與風(fēng)向有為β=45°或β=135°時，流線變化較為劇烈且不再關(guān)于船體中縱剖面對稱，在迎風(fēng)側(cè)貼近船體表面時流線由于船體的阻滯發(fā)生輕微扭曲；在艏艉兩端的流線繞過船體，并在背風(fēng)側(cè)其他氣流相互纏繞并沿著船體呈翻卷狀態(tài)向船體后方運動。與集裝箱船風(fēng)洞試驗相比，由于客滾船上層建筑為連續(xù)的整體，所以并不存在類似于集裝箱船甲板之上布置的集裝箱中間縫道有流線通過。通過不同風(fēng)向角下的流場細節(jié)流動狀態(tài)與船舶受到的風(fēng)載荷關(guān)系可知：當(dāng)船舶受到的風(fēng)載荷的大小與船體周圍形成的渦流場有直接關(guān)系，船舶遭遇均勻氣流時，由于船舶的阻滯作用在船舶迎風(fēng)面附近氣流會發(fā)生降速以及爬升或者繞過船體，氣流經(jīng)過船舶后在背風(fēng)區(qū)形成渦流場，來流會在船體上層建筑或者艏艉處產(chǎn)生分離，在迎風(fēng)狀態(tài)下尾渦區(qū)面積較小，當(dāng)船體與均勻來流有一定角度時，在背風(fēng)區(qū)會形成形態(tài)不同的尾流場。當(dāng)船體與來流的角度β=45°和β=135°時，氣流在背風(fēng)區(qū)形成的尾渦形式較為一致；當(dāng)船體遭遇橫風(fēng)時，氣流在船模的背風(fēng)區(qū)會形成與船模尺度相當(dāng)?shù)奈矞u區(qū)，此時船體受到的風(fēng)載荷也最大。

(a)船模周圍氣流速度場

(b)船模周圍流線分布圖10 β=45°船模周圍流場形態(tài)

(a)船模周圍氣流速度場

(b)船模周圍流線分布圖11 β=135°船模周圍流場形態(tài)

3 結(jié)論

本文利用風(fēng)洞試驗對客滾船的風(fēng)阻特性進行研究，討論了不同風(fēng)向角下縱向風(fēng)阻與橫向風(fēng)阻的特性。并基于試驗進行數(shù)值計算，通過數(shù)值計算分析了不同風(fēng)向角下船體周圍流場形態(tài)和流線形態(tài)，解釋了船舶所受風(fēng)載荷的大小與尾渦區(qū)區(qū)域形態(tài)的關(guān)系。本文的數(shù)值方法可以對客滾船的設(shè)計提供風(fēng)阻計算參考，也可推廣到其他大型船舶的上層建筑風(fēng)阻估計中。