多附體中高速船阻力研究

于文剛 李明敏

摘 要：船舶附體種類繁多，在船舶總阻力中附體阻力所占比重可達(dá)10%～40%。附體的流場狀態(tài)與船體之間的相互干擾也相當(dāng)復(fù)雜。本文以多附體的中高速船為研究對象，采用CFD方法對多種附體組合形式的航行阻力進(jìn)行預(yù)報(bào)，分析各種附體形式對阻力的影響。

關(guān)鍵詞：附體；CFD；航行阻力

中圖分類號：U661.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

船舶附體是對船舶水線以下船體突出物體的統(tǒng)稱，由附體引起的阻力增值稱為附體阻力（包括了附體與船體干擾引起的阻力增量），即帶附體時(shí)阻力與裸船體阻力的差值。附體阻力主要包括因流體粘性引起的粘性阻力和因流體重力引起的興波阻力。船舶常見的附體主要包括舵、軸、軸支架、舭龍骨和減搖鰭等。

船型設(shè)計(jì)時(shí)對附體設(shè)計(jì)有一定要求，一方面要求附體充分發(fā)揮其功能，另一方面要求附體阻力盡可能低。船舶附體阻力一般占總阻力比重可達(dá)10%～40%。附體的流場狀態(tài)及其與船體之間的相互干擾相當(dāng)復(fù)雜，國內(nèi)外模型試驗(yàn)水池在附體阻力換算方面進(jìn)行了很多工作，但至今尚無統(tǒng)一的換算方法。阻力換算難以同時(shí)滿足Fn和Rn相等，尺度效應(yīng)不可避免。傳統(tǒng)的二因次換算方法在理論上不盡合理，三因次換算方法（也稱1+K方法）雖然減少了尺度效應(yīng)的影響，但由于K值是由模型試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的，其誤差對換算結(jié)果的影響也較大[1～3]。

本文主要針對中高速船，采用CDF方法對多附體船型的船體阻力進(jìn)行預(yù)報(bào)，結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性，并且采用該方法對不同附體組合形式的船體阻力進(jìn)行預(yù)報(bào)，得到不同附體組合形式對船舶阻力的影響結(jié)果。

2 控制方程和湍流模型

3 網(wǎng)格劃分

本文計(jì)算網(wǎng)格劃分采用的是ICEM軟件，多次比較計(jì)算域沿片體縱向、橫向以及垂向尺寸的大小對計(jì)算結(jié)果的影響，確定了計(jì)算域：由船首向前延伸1倍船長，向船尾延伸3倍船長；吃水方向向下延伸10個(gè)吃水；沿兩舷外側(cè)向船寬方向延伸3個(gè)船寬；流域網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)型的混合網(wǎng)格形式；外流場采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，內(nèi)流場采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，這樣劃分的目的是為了減少網(wǎng)格數(shù)量和提高網(wǎng)格質(zhì)量。

4 計(jì)算實(shí)例

本文研究對象是一艘?guī)Ц襟w的單體中高速圓舭轉(zhuǎn)折角型艇，其設(shè)計(jì)水線長Lwl=51.6 m，型寬B=7.6 m，吃水d=2 m，設(shè)計(jì)航速v=32 kn（Fr=0.732），研究附體（包括軸、軸支架、軸包套、舵、呆木，見圖1～5）對船體阻力的影響，并針對目前常用的一字形軸支架和人字形軸支架，研究兩種支架形式對船體阻力的影響。

5 結(jié)束語

本文的研究可為類似中高速船型的附體阻力預(yù)報(bào)提供一個(gè)參考方法，定性或定量的提出了部分附體形式對全船阻力的影響情況，具體的結(jié)論如下：

（1）采用CFD方法預(yù)報(bào)帶有較復(fù)雜附體形式的船體阻力是可行的；

（2）呆木會增加航行阻力，阻力增量可近似表示為： 。

（3）人字形軸支架比一字形軸支架附體阻力要大，平均每個(gè)人字形支架要比一字形支架阻力增加約1%。

本文僅對比了不同附體組合之間的的附體阻力，而針對單獨(dú)附體及改變附體結(jié)構(gòu)或安裝位置帶來的阻力影響并未作深入研究，今后應(yīng)在這方面做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] C.W. Prohaska A Simple Method for the Evaluation of the Form Factor and the Low Speed Wave Resistance [R]. Proceeding of 11th ITTC. 1996.

[2] 周健， 姜次平， 盛振邦等. 三因次船舶阻力換算中 確定形狀因子的探討[J]. 中國造船， 1982.

[3] A Ifred Kracht Introduction of Berlin Besin（Vws）-from Model Test to Full Scale[R]. Shanghai Lecture， 2003.

[4] 章梓雄， 董曾南. 粘性流體力學(xué). [M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2011.

[5] 陳紀(jì)平， 趙漢魂， 沈玉林. 船舶附體阻力換算方法研究[J]. 船舶， 2008.

[6] 王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2004.