某內河船型線變化對阻力和自航性能的影響分析

(必維船級社(中國)有限公司 先進技術研究中心，上海 200011)

船型優化過程中，多數研究是將船體阻力作為優化目標，通常采用勢流理論方法快速預報船體興波阻力，結合ITTC推薦的摩擦阻力計算方法，進而獲得船體總阻力[1-5]。其優點是計算速度快，易與優化算法結合，可自動搜尋最優船型。然而，船體尾部型線不僅與阻力性能相關，還與船體的自航性能相關，僅以阻力為優化目標，將會忽視船型變化對自航性能的影響[6]。對自航性能進行預報，通常是進行物理水池船模自航試驗，也可以利用CFD技術構建數值水池，開展自航模擬。通常有兩種方法模擬螺旋槳與船體之間的相互作用：①直接模擬螺旋槳旋轉②采用制動盤方法；通過在螺旋槳盤面處加入體積力，模擬螺旋槳旋轉形成的流場。模擬螺旋槳旋轉評估船舶自航性能，計算成本很高，很難應用于船型優化過程。而采用制動盤方進行自航模擬，即可保證自航性能預報結果精度，又可以提高計算效率。為此，利用三維船體參數化建模軟件OptNAV進行船型變化，在基于RANSE-VOF求解器 ISIS-CFD構建的數值水池中，開展船體拖曳阻力和自航虛擬實驗，對型線變化前后的船體阻力和自航性能進行預報。對比分析船體艏艉型線變化對阻力和自航性能的影響，為船體型線設計優化提供參考。

1 數值計算方法

(1)

采用有限體積法(FVM)對流體輸運方程進行空間離散。通過求解動量守恒方程獲得速度場，再通過求解由連續性方法或質量守恒條件轉換成的壓力方程獲得壓力場。

求解氣液兩相流動問題時，采用VOF方處理自由液面[9]。引入流體體積分數α。α=1表示計算網格單元完全被水占據；α=0表示網格單元完全被空氣占據；0<α<1則表示該計算網格單元含有水和空氣的交界面。

ISIS-CFD求解器是針對船舶海洋工程水動力問題的專用求解器，經過了大量標準問題求解驗證，廣泛應用于船舶工程的實際項目，可以高精度預報船體水動力性能，模擬研究復雜流體流動問題。DTMB5415船模(5.72 m長)CFD數值計算結果與水池試驗結果的對比見圖1。

圖1 數值水池與物理水池阻力結果對比

由圖1可見，兩者吻合的很好，預報精度滿足實際工程應用的需要。

基于ISIS-CFD求解器構建三維數值水池，開展阻力和自航數值試驗。在自航數值試驗中，采用致動盤方法[10]模擬螺旋槳與船體之間的相互作用。對比船體阻力計算結果和自航計算結果，并結合螺旋槳敞水性能數據進行后處理，從而推導出推進系數(推力減額系數(1-t)、伴流系數(1-w)、螺旋槳效率ηp、船身效率ηh)，進一步計算得到船體收到功率PD。

2 計算結果與分析

2.1 初始船型性能預報

某內河船船長140 m，吃水6.0 m，計算航速為10.0 kn，在水深H=9.0 m的淺水航道航行。

采用長方體計算域建立數值水池模型。考慮到船體直航時流場的對稱性，采用半船模型。計算域長為6倍船長，寬2倍船長，底部邊界距離水面9 m，頂部邊界距離水面1倍船長。船體位于計算算域中部，船艏距離右側入口邊界2倍船長。

計算域右側入口、側面和頂部邊界均為速度入口邊界條件，左側為出口邊界條件，底部為可滑動移壁面條件，船體表面為不可滑移壁面條件，船體中縱剖面所在邊界設置為對稱面。

采用HEXPRESS軟件進行網格劃分，計算網格數量約320萬。為精確模擬淺水水底邊界對船體的影響，如船體吸底坐沉等[11-12]，船體和水底邊界之間區域需要進行網格加密。此外，螺旋槳槳盤面區域也進行了網格加密，見圖2。

圖2 計算網格

考慮船體縱搖和垂蕩2個自由度運動。船體由靜止逐漸加速至目標航速，當船體阻力曲線穩定后，獲取數值試驗結果，見表1。

表1 初始船型阻力和自航性能結果

采用制動盤法進行自航模擬計算得到的速度場見圖3。船體興波高度見圖4。

圖3 速度云圖(縱向剖面Y=5.0 m)

圖4 船體興波高度云圖

由圖3可以看到，在船艉螺旋槳位置后方，有明顯的螺旋槳推水形成的高流速區。此外，船體底部和水底之間的水流相對速度在船體航速的1.1倍以上，相對較高的流速導致船體有明顯的坐沉現象。結果顯示，船體沉降值可達到0.4 m，要比在深水環境中的沉降值大很多。

2.2 船體參數化變形

采用三維參數化建模軟件OptNav對初始船型進行型線變化，生成新船型。

對給定船型進行艏、艉變形，見圖5。橫剖面線視圖和水線視圖見圖6。型線變化主要是改變艉和平行中體過度區的型線，使局部區域變寬或變窄。

圖5 艏型線變形

圖6 艉型線變化

2.3 型線變化的影響分析

對初始船型艏艉分別進行4種不同幅值的變形，并在數值水池中進行阻力和自航性能預報。通過與初始船型進行比較，分析參數化變形對船體水動力性能的影響。采用OptNav軟件可以將初始船型的計算網格自動應用到變形后的船型上，確保生成相同的網格拓撲結構和網格節點布置。

對于艏變形，考慮到變形區域距離艉螺旋槳距離足夠遠，認為艏變形對自航性能沒有影響，只分析船型變化對阻力的影響。對于艉變形，則需要同時考慮船型變化對阻力和自航性能的影響。

艏變形幅值范圍為[-25，30]，在此范圍內，船體阻力變化與幅值的關系見圖7。

圖7 與艏橫剖面變形對應的阻力相對變化

變形幅值0對應初始船型。變形幅值為負值表示艏底部變胖，水線上部變瘦，排水體積下移。 與初始船型相比，阻力可降低；如當變形幅值為-25時，船體阻力可降低1.6%。相反，變形幅值為正值，表示船艏底部變瘦，上部變胖，對應阻力增大，如當變形幅值為30時，船體阻力將增加4.0%。

對比艏部變形前后的興波高度變化見圖8。

圖8 船體興波自由面高度云圖

由圖8可見，變形幅值-25對于的船體艏部興波較初始船型行波有明顯變化，有利于降低興波阻力。

對比艏部變形前后的船體表面壓力系數變化見圖9。變形幅值-25對應的艏高壓區范圍明顯減小。

圖9 船艏表面動壓力系數云圖

艉變形幅值為[-30，30]，不同變形幅值對應船型的阻力和自航性能參數見表2。與初始船型相比，阻力和收到功率變化見圖10。結果顯示，當變形幅值為15時，阻力較初始船型降低了1%，但收到功率PD僅降低了0.3%。這主要是由于艉變形改變了艉伴流系數和推力減額系數，從而減小了船身效率和螺旋槳效率，導致收到功率并沒有阻力收益那么高。

圖10 船艉變形對應的阻力和收到功率的相對變化

與初始船型相比較，在給定的變形區域內，船體略變寬些時，有利于降低阻力，如變形幅值15對應的船型；而將船體略變窄些時，船身效率和螺旋槳效率會有所改善，如變形幅值-15所對應的船型。因此，在對船艉進行優化時，僅以最小阻力為優化目標是不夠的，更要注意對自航性能的準確預報。

表2 船艉變形幅值對應的阻力和自航性能結果

由于艉部變形幅度不大，而且變化幅度較大的部分在距離水線面較深的位置，所以對艉部興波影響很小，主要改變變形區域的壓力分布，見圖11。

圖11 船艉表面壓力場云圖

3 結論

船體艏艉局部范圍均有進一步優化的空間；船艉變形對船體阻力和自航性能的影響并不完全一致；對船艉進行優化時，以自航計算獲得收到功率為優化目標更為合適。