船舶前緣引流減阻及流場特性數值模擬

2012-09-26 12:27:56陳克強王家楣

船舶力學 2012年5期

陳克強，王家楣，魏瑋

（武漢理工大學交通學院，武漢 430063）

1 引言

減阻技術的種類有很多，主要有柔順壁面減阻、聚合物減阻、微氣泡減阻，還有溝槽、凹坑和凸環減阻等等。多數減阻技術主要通過改變湍流邊界層結構，減小湍動能耗損來達到減阻目的。而對于減小形狀阻力，主要是通過優化物體外形或添加某些附體以實現減阻。少數研究者嘗試通過實驗研究對其進行新的探索。Izutsu[1]沿實心圓柱體軸向開通了一條細縫以及Yajima和Sano[2]將一個空心圓柱體沿軸向開了兩列小孔，實驗研究顯示有較明顯的減阻效果。北京航空航天大學譚廣琨、王晉軍和李秋勝[3]針對一空心圓柱體，在柱體壁上均勻分布地開通了四條軸向細縫，利用氫氣泡顯示技術觀測空心圓柱體在開有不同數目的細縫以及不同的攻角情況下的流態，對此類空心圓柱體的減阻機理進行初步探討。其實驗結果顯示:在一定攻角下，細縫可降低圓柱體的阻力。

本文針對某中低速船型，在前緣（球艏處）開口引流，出口至尾封板下方，通道進口至出口光滑過渡。不計自由面影響，采用有限體積法和SIMPLEC算法，湍流模型為SST k-ω兩方程模型，耦合求解Navier-Stokes方程和連續性方程，數值計算無引流的原型和有引流船模數值計算繞流流場，對比性分析其減阻效果和船舶周圍流場特性。

2 物理模型及數值方法

2.1 物理模型

所計算的物理模型是一肥大雙尾帶球鼻艏船型，其船體的主要參數分別為:設計水線長L=78 m，設計水線處半寬B=15.6 m，吃水T=4 m，橫剖線圖見圖1。

由于只討論船舶正浮且無偏航、不計自由面情況下的阻力問題，為節省內存僅對半個船體采用1:15.5的比例建模。計算域是長度為5倍船長，半徑為1倍船長的圓柱域（詳見圖2）。坐標原點位于船體中縱剖面與水面交線的中點處，X軸指向船尾，Z軸鉛直向上；采用分塊混合網格，船體壁面局部加密。計算的雷諾數（特征長度為船長）為5.134×106。

圖1 船體橫剖面型線圖Fig.1 The body lines of craft

圖2 計算域Fig.2 Computational domain

圖3為引流通道的示意圖，引流入口在球鼻艏處的高壓區域，出口位于尾封板的下方，出口截面為矩形，見圖3（c）。引流入口與出口的面積相等，為船體最大橫截面積的11.87%，占船體表面濕面積的0.45%。引流進口與出口之間為光滑過渡的通道。圖3（b）是引流入口的局部放大圖（X軸正向視圖）。圖3（c）是引流出口處的局部放大圖（X軸負向視圖）。

圖3 船體前緣引流視圖（T為船舶吃水）Fig.3 The view of craft’s leading edge holes(T represents draft)

2.2 數值方法

（1）控制方程

式中:不計重力，Fi=0，為由平均速度梯度引起的湍動能產生項，為ω的產生項；Γk和Γω分別表示k和ω的有效擴散系數；Yk和Yω分別表示由湍流引起的耗散項；Dω為正交擴散項；Sk和Sω為源項，取為零。

（2）邊界條件

① 進口邊界條件，采用速度入口即u=u∞=1.413 m/s，v=w=0；

③壁面滿足速度無滑移條件:u=v=w=0；

其中:u，v，w分別指速度矢量沿X，Y，Z方向的分量。

（3）數值方法

采用有限體積法求解控制方程，選用SST k-ω湍流模型，湍動能方程和湍流耗散比率均采用二階迎風格式求解，速度和壓力耦合采用SIMPLEC算法。

3 數值結果及分析

3.1 阻力系數對比性分析

針對上述同一條船模，數值計算無引流和有引流兩種情況下的阻力見表1，其中按第八屆ITTC推薦的平板摩擦阻力系數公式計算，即=0.075（ lgRe-2）-2=3.381*10-3。表 1 中:CD0、Cf0和 CR0分別表示原型船模的形狀阻力系數、總摩擦阻力系數和總粘性阻力系數的計算值。表示船模總粘性阻力系數的試驗值，由總阻力系數試驗值減掉波形測量所得的興波阻力系數得出。CD、Cf和CR分別表示船模前緣引流后的形狀阻力系數、總摩擦阻力系數和粘性阻力系數的計算值。此處所有阻力系數都采用原型船模面積計算而得。形狀阻力系數減幅MD=（CD1-CD0）/CD0，總摩擦阻力系數減幅Mf=（Cf1-Cf0）/Cf0，總粘性阻力系數減幅MR=（CR1-CR0）/CR0。

表1 船體引流前后阻力系數值及減幅（阻力系數值均×10-3）Tab.1 The value and reduction of craft’s resistance coefficient(resistance coefficient all multiplied by 10-3)

計算結果顯示:船體前緣引流后，船體形狀阻力系數明顯減小（23.102%），總阻力系數減小2%以上。表中顯示總摩擦阻力系數有所增加，這是因為計入了引流通道內濕面積的總摩擦阻力。

3.2 船體壁面壓力系數與切應力分布對比性分析

數值計算給出船體壁面壓力系數分布以及切應力分布見圖4。圖中Cp表示壓力系數，τ0表示切應力系數。圖4（a）和4（b）表明:船艏處（無引流）的壓力系數接近1；而引流后，船艏處的壓力系數降至0.1，部分區域的壓力系數更小。表明前緣引流明顯降低了船艏高壓處的壓力。圖4（c）和4（d）顯示:有引流時船尾壓力系數分布較無引流情況下有明顯變化，總體上有引流時艏尾壓差減小。

圖4（e）和4（f）表明:有引流時船體壁面上的切應力略有降低，這是因為引流后，船體壁面外部勢流速度略有增加，改變了船體壁面邊界層厚度。