一種高速雙體船的阻力快速預報方法

杜慶森 李文強

摘? ? 要：本文針對高速雙體船的阻力預報，利用MAXSURF商業軟件，以一型高速穿浪雙體船為例，對比了基于Noblesse新細長體理論方法和CFD方法的預報精度。根據對比結果，基于Noblesse新細長體理論方法在高航速段的阻力預報具有良好的精度，相比于CFD等方法，可大大提升高速雙體船阻力預報效率，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：高速雙體船;阻力預報;CFD;新細長體理論

中圖分類號：U661.32 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： For the prediction of resistance of a high-speed catamaran， by using MAXSURF software and taking a type of high-speed wave piercing catamaran as an example， the prediction accuracy of the new slender-body theory method and CFD method is compared. According to the comparison results， the resistance prediction of the new slender-body theory method has good accuracy in the high-speed period， compared with CFD method， the calculation module can greatly improve the resistance prediction efficiency of a high-speed catamaran， and has certain engineering application value.

Key words： High-speed catamaran; Resistance prediction; CFD; New slender-body theory

1? ? ?前言

在船舶設計過程中，目前普遍應用的阻力預報方法是理論計算及CFD方法。

理論計算方法，是利用流體力學理論，通過建立船舶理論數學模型，將船型參數代入后進行數值計算，得到船舶的總阻力。該方法由于簡化了計算模型，整個求解過程相對簡單，但誤差也相應偏大。

CFD是計算流體力學（Computational Fluid Dynamics）的簡稱。CFD方法是利用計算機和離散化的數值模擬方法對流體力學問題進行模擬分析。它通過計算機求解控制流體流動的數學方程，對粘性或非粘性流體的運動進行數值模擬計算，部分CFD方法的數值模擬計算的結果，可以達到模型試驗的精度，但計算過程耗時較長。這兩種阻力預報方法各有優缺點，為保證預報精度，船舶設計階段一般采用精度相對較高的CFD方法進行船舶阻力預報。

雙體船型相比于常規單體船，具有甲板面積大、穩性好以及高速阻力性能優良的特點，近幾十年來相繼發展了包括穿浪雙體船、小水線面雙體船、半水線面雙體船等多種高性能船型。

本文提出了一種基于新細長體理論的雙體船阻力計算預報方法，可快速準確地預報雙體船阻力性能，并通過模型試驗驗證，達到了工程應用的要求，為雙體船阻力預報提供一種簡潔有效的方法。

2? ? ?新細長體船理論

高速雙體船阻力包括粘性阻力和興波阻力。本文對高速雙體船的興波阻力預報，采用的是基于改進的Noblesse新細長體理論;粘性阻力中的摩擦阻力系數Cf采用ITTC-57公式計算;粘性阻力系數采用“1+k”法。

Noblesse新細長體船理論，是假設：（1）流體理想、船舶在無限深廣水域中以恒速航行;（2）單個片體產生的波不會影響另一個片體的興波特性;（3）單個片體不反射另一個片體產生的船行波等。

根據以上假設，可得雙體船總阻力為：

通過計算結果與試驗值的對比（見圖2），發現在較大的付氏數（Fn=0.2～0.7）范圍內，Wigley船型的興波阻力計算值與試驗值吻合較好，這說明采用Noblesse新細長體理論方法進行高速雙體船阻力預報是具備可行性的。

3? ? 計算實例

穿浪雙體船是上世紀八十年代在小水線面雙體船（SWATH）的基礎上發展起來的一種高性能船型。它保留了SWATH船型的低阻力、甲板面積大等優點，融合了深V船型優良的耐波性能，并改善了SWATH片體儲備浮力和片體空間小等缺陷，在軍事及民用領域應用廣泛。

本文對某穿浪雙體船在設計狀態下的航行阻力，分別采用CFD方法和基于Noblesse新細長體理論方法進行預報分析，并將計算結果與阻力模型試驗結果對比，以評估兩種估算方法的預報精度差異。

3.1? ?采用CFD計算方法

在CFD計算方法中，為最大程度的減小由于數值計算模型而造成的計算誤差，采用合適的三維船體模型網格劃分是十分必要的。

本文的網格劃分采用ICEM商業軟件。由于穿浪雙體船兩個片體水下部分對于中縱剖面對稱，故以單個片體為研究對象，通過多次對比分析了計算域沿片體各個方向尺寸的大小對計算結果的影響，確定了計算流域空間如下：

（1）長度方向—船體模型由船首向前延伸1.5倍船長、向船尾延伸3倍船長;

（2）垂向方向—船體模型底部向下延伸12個吃水;

（3）橫向方向—船體模型沿兩片體外側向船寬方向各延伸5個片體度。

計算域網格采用結構和非結構型的混合網格形式（見圖4）。

在設置合適的邊界條件后，采用計算流體力學軟件Fluent進行CFD計算。選取k-ω湍流模型，通過求解粘性流體時均化的N—S控制方程和連續方程，采用有限體積法，并基于SIMPLE算法對流場進行數值計算，求得最終結果。

3.2? ?采用Noblesse新細長體理論方法

本文采用MAXSURF軟件中的Resistance模塊。將船體模型導入Resistance模塊后，選擇細長體理論作為分析方法，通過設定網格區域劃分范圍及數量，自動生成片體網格模型。圖5所示為該船片體模型及水下部分形成的四邊形網格，尾部之后的網格為虛擬附體網格。

3.3? ?計算結果對比

將上述兩種方法的預報結果與模型試驗結果對比，如圖6及表1所示。

綜上分析，認為基于Noblesse新細長體理論的方法，在部分航速段下的高速雙體船興波阻力預報具有良好的精度，具備工程應用條件。

4? ? ?結論與展望

本文針對高速雙體船阻力的預報，利用MAXSURF商業軟件，以某穿浪雙體船為例，對比了基于Noblesse新細長體理論方法和CFD方法的阻力預報精度。對比結果表明：基于Noblesse新細長體理論方法在高航速段（Fn>0.5）的阻力預報具有良好的精度，同時由于在MAXSURF商業軟件集成了新細長體理論計算模塊，整個預報可在五分鐘內得到多個航速段下的阻力結果，相比CFD等方法可大大提高阻力預報效率，具有一定的工程應用價值。

由于本文選取的驗證樣本較少，后續將進一步針對Noblesse新細長體理論方法在不同高速雙體船船型阻力預報情況進行驗證研究。

參考文獻

[1] 鄧芳，鄧魏彬. 雙體船阻力阻力性能計算及船型設計優化[J]，青島科技大學學報 ，2015（1）：72-76.

[2] 汪誠儀.高速雙體船阻力特征及其應用[J].中國造船，1994（8）：28-39.

[3] 周翀劍，柳存根. 汪學鋒， 傅惠萍. 高速雙體船阻力估算方法研究[J]，中國造船，2014（4）：26-32.

[4] Moraes H B， Vasconcellos J m， Latorre R G. Wave resistance for high-speed catamarans[J]. Engineering， 2004（31）：2253-2282.

[5]? 李培勇等. 超細長三體船阻力計算研究[J]. 船舶工程，2002（2）：10-12.

[6] Francls Noblesse. A Slender-Ship Theory of Wave Resistance. Journal of Ship Research[J]， 1983（27）： 16-30.

[7]李云波，黃德波. 一種雙體船興波阻力計算方法[J]. 船舶力學，2002（5）：9-13.

[8]李志恒. 基于CFD的高速方尾船粘性阻力預報[J]. 艦船科學技術，2011（3）：35-40.

[9] 于文剛等. 多附體中高速船阻力研究[J]. 廣東造船，2013（6）：56-62.