隧道尾雙體船性能分析研究

楊良軍

摘 要：以某具備隧道尾的雙體船為研究對象，分析其航行與阻力性能特點，開展其性能分析研究。在構建完成主船體三維模型的基礎上，選定主要的航速范圍，在CFD 仿真軟件上開展了計算域確定、邊界條件設定以及計算結果分析等方面的工作。分析結果表明，該船型的性能較為優良，較適用于無人雙體船，該分析結果為后續的船型開發提供了有利的指導。

關鍵詞：雙體船;性能分析;隧道尾

中圖分類號：U661.4 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）02-0121-02

1引言

在同等噸位下，雙體船比單體船具備更大的甲板面積以及更好的穩性[1]，適用于對于甲板布置要求較高的船型。對于吃水受限的船型，要增大螺旋槳直徑，隧道尾是最好的選擇之一[2]。對于隧道尾船型的研究，相關學者已經進行了廣泛的研究。

在兼顧甲板面積與螺旋槳直徑的情況下，船型性能分析要求較高[3]，主要體現在主船體曲面形狀復雜，CFD計算網格劃分以及計算條件的設定均較為復雜[4]。

2船型介紹

本文所分析的船型為某具備隧道尾的雙體船，該船主尺度如表1所示。

3計算模型及計算條件

3.1計算模型的建立

根據船體型線圖和主尺度表對雙體隧道尾船以1：10的縮尺比進行計算模型三維建模。需計算實船在14Kn、15Kn、16Kn、17Kn、18kn下的阻力性能，根據傅汝德數相似對船模航速進行換算。對雙體隧道尾船模型用FINE/Marine商業軟件分別在2.277m/s、2.440m/s、2.603m/s、2.765m/s、2.928m/s速度下計算船模的總阻力。

計算中直接求解三維粘性不可壓多相流體的雷諾平均方程，采用SST湍流模型，近壁處理使用壁面函數法。

微分方程的離散采用隱式有限體積法，具有2 階空間和時間精度[5]。

3.2邊界條件

計算域的具體設置為：縱向從船艏向上游延伸2倍的船長，從船艉向下游延伸3倍的船長，側面向外延伸2倍船長，垂直向下延伸3倍船長，向上延伸1倍船長。

入流邊界、出流邊界和船側對應邊界采用遠場邊界條件。中縱剖面所在邊界采用對稱邊界條件。上下邊界采用指定壓力邊界條件。船體表面的邊界條件設定為固壁無滑移的條件。甲板的邊界條件為滑移邊界，忽略空氣粘性的影響。

對船體表面曲率變化比較大和物理量梯度變化比較大區域，如艏部、艉部、自由液面附近的網格進行加密。

所有計算的網格數都約為180萬左右，正交性不小于21.33°，正交性大于72 °的網格比例大于92% 。

4阻力性能計算

4.1模型尺度下的總阻力計算

在入流邊界上，水流以1/4正弦函數的形式在1s內增加到給定速度。在計算收斂的時間段內取3個完整周期阻力的平均值作為最終船模的總阻力。計算得模型的阻力如下表。

4.2實船尺度下的總阻力值

實船尺度下的總阻力值是根據模型計算值或者模型實驗值換算得到的。目前常用的換算方法為基于傅汝德數相同的換算方法，其換算結果較為可靠，適用船型范圍廣泛。

船模與實船只能滿足雷諾數或傅汝德數相等其中的一種，一般船模阻力計算或者船模實驗時都只考慮船模和實船的傅汝德數相等的情況下進行的。為了能從船模計算或者實驗結果求得實船阻力，相關技術人員提出了下列假定：

（1）將船體總阻力人為劃分兩部分。第一部分為摩擦阻力Rf，該部分數值與雷諾數和船舶濕表面積有關;第二部分為剩余阻力Rr，是由粘壓阻力Rpv與興波阻力Rw組合而成的，該部分數值與傅汝德數和船舶濕表面積有關。上述關系的具體表達式為：

Rt=Rf+Rr ?Rr=Rpv+Rw

Rt=f（Re，Fr）=f1（Re）+f2（Fr）

Rf=f1（Re） ? Rr=f2（Fr）

（2）船體的摩擦阻力近似與速度、長度和濕表面積相同的平板所受的摩擦阻力相等。因此，可以用平板摩擦阻力公式計算船體受到的摩擦阻力。

如果計算模型與實船的傅汝德數相等，便可將數值計算或者實驗結果換算得實船在相應速度時的總阻力。在此基礎上，實船的總阻力可表示為：

Rts=Rfs+Rrs ? ? ? ? （1）

在相應速度時，即Vs=Vm，由比較定律得：

Rrs=Rrm ? ? ? （2）

則得：

Rts=Rfs+Rrm ? ? ? ?（3）

這里下標m，s分別代表船模和實船的數據。

根據上述的二因次換算方法進行換算。實船摩擦阻力由常用的基于平板摩擦的公式計算所得，粗糙度補貼系數取0.4。計算結果如表3所示。

二因次換算所得計算結果如表4所示。

5結論

本文的總阻力分析結果表明，該隧道尾雙體船型性能優良，較適合用于甲板面積要求較高的無人船型研發。后續研究需要對其性能進一步開展優化，以提高其競爭力。

參考文獻：

[1] 沈春濤.內河淺吃水雙尾船振動問題分析與對比研究[D]. 哈爾濱工程大學，2015.

[2] 王廣東，戴彤宇.隧道尾排水型快艇性能試驗研究[J].船舶工程，2000（02）：17-20+66.

[3] 鄧銳，黃德波，于雷，程宣愷，梁洪光.影響雙體船阻力計算的流場CFD因素探討[J].哈爾濱工程大學學報，2011，32（02）：141-147.

[4] 唐豐.新型雙體船和三體船阻力性能研究[J].船舶，2007（02）：1-4.

[5] 倪連超，陳震.多航態高速雙體船阻力計算研究[D].天津大學，2005.

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