肥大船型艏型改變對性能的影響

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(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

船艏舭渦是影響全船粘壓阻力的一個(gè)重要因素。艏部舭渦由船側(cè)水流繞向船底而成，主要取決于艏部形狀。船艏舭渦形成了船艏底部低壓區(qū)，這將導(dǎo)致粘壓阻力增加。破波阻力是由進(jìn)流段滿載水線附近過分阻塞而形成，屬于興波阻力中的一部分。埋艏現(xiàn)象主要是因?yàn)檫M(jìn)流段舭部曲率過大造成的，同樣會(huì)導(dǎo)致粘壓阻力增加。值得注意的是破波阻力和艏部舭渦的存在都直接影響著進(jìn)流段的水動(dòng)力性能。本文主要探討肥大船型在改型前后船艏舭渦、壓力分布、艉部伴流的變化情況。

1 艏型修改

1.1 原型簡介

某江海直達(dá)集裝箱船主尺度見表1，其方形系數(shù)為0.8，屬于肥大船型。

表1 實(shí)船主尺度

1.2 原型及改型的三維模型

以母型為依據(jù)，進(jìn)行艏型的局部改變，但是在改型中必須保證浮心位置、靜水力等特性與原型沒有太大變化[1]。

S形球鼻艏是肥大船型常用的艏型之一[2]，艏型1的變化主要是采用S形球鼻艏。艏型2主要目的是改善船艏舭渦。艏型3則是從改善艏部砰擊這一角度出發(fā)，進(jìn)行的改型。其中艏型2和艏型3都適當(dāng)?shù)臏p小了進(jìn)水角。

原型艏型及改型后的艏部三維模型見圖1。

圖1 艏部三維模型

對原型的改變不能影響浮心位置太多，所以在艏型改變的同時(shí)必須實(shí)時(shí)查看艏型的橫剖面曲線，不能與原型有太大的出入。

另外在艏部線型設(shè)計(jì)中還要注意到:由于浮心靠前,進(jìn)流段短,水線前端應(yīng)設(shè)計(jì)成直線或微凸形,且曲率變化要均勻。設(shè)計(jì)水線以上一段高度要盡量保持設(shè)計(jì)水線的寬度,不能過度放寬以免堵水[3]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型的建立及邊界條件設(shè)置

計(jì)算模型采用疊模，縮尺比為1/26，計(jì)算域?yàn)椋捍胺较?倍船長，船寬方向1倍船長，船底方向1倍船長，船艉方向4倍船長。見圖2。

圖2 計(jì)算域

模型網(wǎng)格大約100萬，船體附近的近域采用四面體網(wǎng)格，其余的遠(yuǎn)域采用六面體網(wǎng)格，其中船體周圍網(wǎng)格需要加密，尤其是船艏和船艉部分，由于計(jì)算的目的是獲得伴流的信息，因此在槳盤面附近的網(wǎng)格也需要加密。

邊界條件的設(shè)置：設(shè)置入口為速度入口，為1.1 m/s，設(shè)置出口為自由出流，船體表面為固壁，計(jì)算域內(nèi)部的面為通透面，其余面為對稱面。

Fluent的湍流模型包括k-ε模型，k-ω模型、Reynolds應(yīng)力模型，LES模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，雙層近壁模型等[4]。本文全部采用SSTk-ω模型進(jìn)行計(jì)算。

2.2 標(biāo)稱伴流比較

由于伴流的存在，使螺旋槳與其附近水流的相對速度和船速不同。通常指的伴流為船艉裝螺旋槳處即槳盤面的實(shí)效伴流。

由于本次計(jì)算中，計(jì)算模型在槳盤面位置并沒有螺旋槳模型，所以這里的伴流均指標(biāo)稱伴流。

2.2.1 伴流分?jǐn)?shù)的計(jì)算

本文中只對軸向伴流進(jìn)行分析。

一般情況下軸向平均伴流采用體積積分法進(jìn)行計(jì)算。 在fluent軟件中計(jì)算原理與體積積分法類似。可以在槳盤面位置劃出一個(gè)槳盤大小的切片，對該切片的X方向速度進(jìn)行積分求和，便可以求得該切片的X方向總速度ux，然后除以面積便是伴流的平均速度，公式表達(dá)如下。

(1)

式中：ux——槳盤面積分出來的總速度，m/(s·m2)；

As——槳盤面面積，m。

軸向伴流分?jǐn)?shù)通常用伴流速度與船速的比值來表示，公式如下。

(2)

式中：Vx——各點(diǎn)軸向速度；

V——船速。

2.2.2 伴流的不均勻性

伴流的不均勻性對螺旋槳的推力、轉(zhuǎn)矩、效率等都有影響，甚至?xí)绊懘w艉部的振動(dòng)，因此在船舶改型中除了獲得一個(gè)較理想的伴流分?jǐn)?shù)外，還要考慮到伴流的不均勻性，應(yīng)盡量獲得一個(gè)較為均勻的伴流場分布。

速度為1.1 m/s時(shí)，4艘模型計(jì)算出來的伴流分?jǐn)?shù)和伴流分?jǐn)?shù)等值線見圖3。

圖3 伴流分?jǐn)?shù)和伴流分?jǐn)?shù)等值線

為了進(jìn)一步分析比較各個(gè)艏型對伴流均勻度的影響，將0.8R處的標(biāo)稱伴流分?jǐn)?shù)沿周向作成曲線，見圖4。

圖4 0.8R處伴流分?jǐn)?shù)沿周向變化曲線

由圖4可見,各個(gè)模型計(jì)算所得的伴流分布情況變化較小，相對而言，艏型1的伴流分?jǐn)?shù)雖然不是最高但伴流均勻度有所改善，而艏型3的伴流分?jǐn)?shù)稍微變大。

2.3 壓力分布比較

船艏型改變對船體壓力分布的影響，可能影響船體的粘性阻力，而江海直達(dá)船型屬于低速肥大船型，粘性阻力是其阻力成分的重要組成部分，對船型壓力分布的分析有利于在后續(xù)研究中進(jìn)一步進(jìn)行減阻研究。壓力分布見圖5。

圖5 壓力分布

可以看出，改型1的壓力分布較原型沒有明顯改變，而艏型2和艏型3則有明顯的改進(jìn)，具體原因可能是艏型2和艏型3的艏部曲度變化比較緩和，以及進(jìn)水角相對改小。而壓力的改善可能會(huì)帶來粘壓阻力的改善。所以艏型2和艏型3較優(yōu)。

2.4 阻力系數(shù)比較

計(jì)算不同速度下原型與改型的阻力，圖6、7給出了阻力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

圖6 粘性阻力系數(shù)曲線

圖7 粘壓阻力系數(shù)曲線

由計(jì)算結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，4艘模型(包括原型)中艏型2和艏型3較原型粘性阻力系數(shù)(由于采用疊模，F(xiàn)LUENT里面的總阻力不含興波成分，就是實(shí)際中的粘性阻力)和粘壓阻力系數(shù)都有所降低，而艏型1粘壓阻力系數(shù)較原型有所增大。從阻力角度出發(fā)，艏型2較好。

從以上幾點(diǎn)可以看出，改型后的模型各方面性能都得到了不同程度的改善。比如艏型2和艏型3的舭渦、動(dòng)壓分布、粘壓阻力都得到了改善，其中艏型2改善最為明顯。

3 結(jié)論

1)肥大船型艏型的改變對船艉伴流分?jǐn)?shù)以及伴流分布都有一定影響，但影響不大。

2)經(jīng)過分析比較，從改善舭渦、粘性阻力的角度出發(fā)，艏型2的效果比較明顯。

3)適當(dāng)減小進(jìn)流角，并采取措施避免舷側(cè)水向船底繞流，可以有效改善艏部舭渦現(xiàn)象。

4)艏型2與艏型3的動(dòng)壓分布都得到了明顯的改善。

[1] 王言英.基于阻力性能船體型線精細(xì)優(yōu)化的CFD方法[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2002(3): 127-133.

[2] 彭 力，陳順懷.基于肥大船型球鼻首的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].船舶工程,2008(2):27-31.

[3] 陶秋霞.萬噸級(jí)江海直達(dá)肥大型散貨船線型優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].船海工程,2009(6):1-5.

[4] 王國強(qiáng)，盛振邦.船舶推進(jìn)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1984.