基于阻力的V 型艇折角線及其參數(shù)研究

謝云平，曹鎰銘，李悅澤，恒乙鑫，戴 可，王成剛

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著海上“絲綢之路”的不斷建設(shè)，我國(guó)進(jìn)出港船舶數(shù)量與日俱增，各個(gè)港口引航需求逐步提升。性能優(yōu)良的引航船是引航交接工作過程中不可或缺的重要交通裝備，所以對(duì)其船型及阻力性能的研究具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

通常，高速引航交通船船型大多為V 型。對(duì)于其折角線長(zhǎng)度對(duì)性能的影響已經(jīng)有了一系列探究[1-2]，包括與折角線形狀相關(guān)的船底斜升角大小、船首折角線高度等參數(shù)給出了使用范圍[3-4]，但還不夠細(xì)致。本文在某V 型的基礎(chǔ)上，針對(duì)折角船型的折角線形狀，通過選取較敏感的參數(shù)進(jìn)行更加深入、更加系統(tǒng)的研究，以期對(duì)折角船型的研究做出有益的補(bǔ)充，同時(shí)為折角線的設(shè)計(jì)把控提供一些參考。

1 船型設(shè)計(jì)

1.1 基本船型概述

1.1.1 基本船型主要參數(shù)

本文選取某高速引航V 型艇作為基本船型，采用雙噴水推進(jìn)器，設(shè)計(jì)航速為28 kn。其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 某高速引航V 型艇主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of a high-speed pilot V-boat

1.1.2 基本船型型線

基本船型為單折角線、前傾首與垂直尾型線，其折角線最大寬度為0.9B（距船首垂線40 %L）；尾封板處寬度與折角線最大寬度的比值為0.8；折角線與水線交點(diǎn)距首垂線1/3L，與首柱交點(diǎn)高為1.5 m；中部斜升角為18°，并尾部逐漸減小。

1.2 系列船型方案設(shè)計(jì)

V 型艇的折角線是一條復(fù)雜的三維曲線，它的形狀及參數(shù)關(guān)聯(lián)著船型幾何形狀及其性能。本文以阻力性能為考量，在不改變船舶的主要船體參數(shù)及排水體積的原則下，通過折角線參數(shù)的進(jìn)一步分析與改變，來生成系列船型方案。

1.2.1 折角線參數(shù)的選擇

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，確定船首垂線與折角線交點(diǎn)A、設(shè)計(jì)水線與折角線交點(diǎn)B、折角線最大寬度點(diǎn)C、尾封板與折角線交點(diǎn)D 為折角線的控制點(diǎn)。考慮到ZB的值與設(shè)計(jì)吃水T相同，XD值和尾封板的位置相同，故最終確定研究的控制點(diǎn)參數(shù)為：XB、XC、YC、YD，如圖1 所示。

圖1 折角線參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the corner line parameters

通過改變其在X、Y、Z方向上的參數(shù)值就可以相對(duì)便捷地控制折角線的整體形狀。

1.2.2 生成系列船型方案

根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，設(shè)計(jì)水線與折角線交點(diǎn)距首垂線為(1/3～1/4)L；折角線最寬處橫剖面距首垂線(30%～50%)L、最寬值為(0.68～0.97)B；尾封板處折角線寬度為(0.65～0.8)倍的折角線最大寬度。據(jù)此，通過各參數(shù)選取初始值和終值，同時(shí)設(shè)置一定步長(zhǎng)，再利用排水體積不變的衡準(zhǔn)條件，可優(yōu)選出表2所示的5 個(gè)系列折角線船型方案。以方案1 為例，引航船船型型線如圖2 所示。

圖2 方案1 型線示意圖Fig.2 Scheme 1 type line schematic diagram

表2 系列方案折角線參數(shù)Tab.2 Series scheme folding line parameters

2 數(shù)值仿真方法研究

2.1 理論計(jì)算

利用文獻(xiàn)[6]中的無斷級(jí)滑行艇阻力的回歸公式計(jì)算某V 型艇1:10 縮放船模在排水體積傅汝德數(shù)分別為2 和3 時(shí)的裸船體阻力。艇體計(jì)算所需相關(guān)形狀參數(shù)如表3 所示。

表3 艇體相關(guān)形狀參數(shù)Tab.3 Hull-related shape parameters

當(dāng)Fr?=2 時(shí)，計(jì)算過程如下：

基本船型所有參數(shù)均符合回歸公式要求，計(jì)算4 個(gè)獨(dú)立變量如下：

基本船型船體模型排水量只有28.2 t，小于模型艇的排水量45 t，所以需進(jìn)行雷諾數(shù)修正。首先計(jì)算縮尺比與基本船型雷諾數(shù)，計(jì)算結(jié)果如下：

當(dāng)Fr?=3時(shí)，計(jì)算方法同上，船模阻力為37.7 N。

2.2 計(jì)算域和網(wǎng)格設(shè)置

建立計(jì)算域，將1:10 縮放的船體模型導(dǎo)入STAR CCM+，根據(jù)船模主尺度建立試驗(yàn)水池計(jì)算域HULL。選取計(jì)算域坐標(biāo)點(diǎn)為角1：[-5L,-2L,-2L]；角2：[2L,2L,1L]。計(jì)算域設(shè)置情況如圖3 所示。

圖3 船模計(jì)算域Fig.3 Ship model computational domain

運(yùn)用重疊網(wǎng)格方法，建立剛好能包裹住船體的長(zhǎng)方體計(jì)算域overset，使其與船體模型進(jìn)行減運(yùn)算，作為重疊網(wǎng)格區(qū)域，如圖4 所示。另外將船首、船后流場(chǎng)與自由液面處進(jìn)行適當(dāng)加密，如圖5所示。

圖4 overset 區(qū)域Fig.4 Overset area

圖5 加密區(qū)域Fig.5 Encrypted area

分別為HULL 與減運(yùn)算新建自動(dòng)網(wǎng)格，選取表面重構(gòu)、自動(dòng)表面修復(fù)、切割體網(wǎng)格單元生成器及棱柱層網(wǎng)格生成器并設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。網(wǎng)格參數(shù)的選取決定了網(wǎng)格的質(zhì)量，各個(gè)參數(shù)間有一定的比例關(guān)系，需根據(jù)效果不斷調(diào)整，本研究選取網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸0.15 m，棱柱層層數(shù)為6，計(jì)算域HULL 的網(wǎng)格需要添加6 個(gè)面及水線面處的自定義控制，而減運(yùn)算網(wǎng)格需添加船體表面的加密控制。通過網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格數(shù)約為83 萬。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.6 Meshing results

2.3 其他計(jì)算設(shè)置

新建物理連續(xù)體，選用三維隱式不定常求解器、歐拉多相流模型、SSTk-ω湍流模型和靜水VOF 波模型，在歐拉多相流中設(shè)置水與空氣2 個(gè)相并選擇對(duì)應(yīng)模型，波速設(shè)置為航速，水位點(diǎn)高度設(shè)置為船模吃水。對(duì)船體及區(qū)域HULL 的6 個(gè)邊界面進(jìn)行設(shè)置：船體表面設(shè)為不可滑移壁面，inlet、top、bottom 為速度進(jìn)口；outlet 為壓力出口；back、front 為對(duì)稱平面。選取相應(yīng)的物理?xiàng)l件，其中，速度進(jìn)口與壓力出口類型的邊界需加入阻尼進(jìn)行消波，來避免邊界對(duì)波浪的反射作用，阻尼長(zhǎng)度一般為船長(zhǎng)或波長(zhǎng)的2 倍。

設(shè)置報(bào)告和繪圖，建立船行波場(chǎng)景，時(shí)間步設(shè)置為0.01 s，最大內(nèi)部迭代為10。

2.4 仿真方法驗(yàn)證

在靜水、航速21.6 kn（Fr▽=2）的工況下，船模速度為3.5136 m/s，基本船型阻力仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示。可以看出，船模阻力值逐漸穩(wěn)定至32.7 N，與理論計(jì)算值相差6.7%；當(dāng)航速為31.8 kn（Fr▽=3）時(shí)，船模速度為5.1728 m/s，仿真方法同上，仿真結(jié)果為37.3 N，誤差為1.1%。對(duì)仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差在可接受范圍內(nèi)，證明了此數(shù)值仿真方法的可靠性，能夠用于以下研究。

圖7 阻力仿真結(jié)果Fig.7 Resistance simulation results

3 阻力數(shù)值仿真結(jié)果與分析

運(yùn)用上述阻力數(shù)值仿真方法對(duì)基本船型和系列船型的阻力分別在20 kn(Fr▽=1.88)、24 kn(Fr▽=2.26)、28 kn(Fr▽=2.9)、32 kn(Fr▽=3.32)下進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，阻力仿真結(jié)果見表4，阻力變化趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 阻力仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig.8 Comparison of resistance simulation results

表4 靜水阻力仿真結(jié)果Tab.4 Hydrostatic resistance simulation results

可知，包括基本船型在內(nèi)的6 個(gè)船型方案，其靜水阻力基本隨速度提高而變大，但對(duì)于方案1 和方案2 來講，但航速達(dá)到28 kn 后，其阻力有減小趨勢(shì)。說明，否則會(huì)影響其起滑航態(tài)。

在以上方案中，方案2 靜水阻力性能最優(yōu)，在航速32 kn 時(shí)的阻力值比基本船型同速的阻力值下降20% 以上；而方案3 阻力性能相對(duì)較差，在航速28 kn 時(shí)的阻力較基本船型增大10%以上。究其原因，可能是折角線最大寬度及其位置距船尾的距離對(duì)航行姿態(tài)有較大的影響。

4 結(jié) 語

在某引航高速船V 型船的基礎(chǔ)上，分析折角線相關(guān)參數(shù)及變化范圍，從而生成了折角線形狀不同的系列船型方案，并進(jìn)行了阻力數(shù)值仿真分析與計(jì)算。得到以下結(jié)論：1）方案2 體現(xiàn)了較優(yōu)越的阻力性能。2）折角線與設(shè)計(jì)水線交點(diǎn)距船尾的距離XB、折角線最大寬度YC及其位置距船尾的距離XC對(duì)其阻力性能有較大影響。考慮到數(shù)值仿真方法的局限性，上述結(jié)論還有待通過實(shí)船試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)一步研究。