基于CFD和伴流場優化的肥大型船球鼻艏數值選型研究

姜海寧，沈海龍，李云暉

（1.中遠船務工程集團有限公司，遼寧大連 116600；2.哈爾濱工程大學水下機器人技術重點實驗室，哈爾濱 150001）

0 引言

在肥大型船的船型優化設計中，船首和船尾的線型是水動力優化的重點，尾部型線對槳盤面伴流場的影響研究已經比較成熟。在船首型線設計中，作為減小興波阻力的有效手段之一，球鼻艏已經被廣泛的應用于各類船舶，相關研究已經比較成熟。但是球鼻艏對伴流場影響的研究往往被忽略，多數的研究側重在其減阻性能上，對于球鼻艏對伴流場的影響仍缺少認識。事實上，球鼻艏對于槳盤面處的伴流也有明顯的影響，會影響船舶總的推進效率，因此，球鼻艏的設計不僅要考慮減小阻力的作用，還要考慮球鼻艏對伴流的影響，這樣才能使球鼻艏的綜合效能達到最佳。

本文采用CFD技術，引入伴流目標函數WOF（Wake Object Function），基于槳盤面伴流場伴流更均勻這一評價指標，對某肥大型船球鼻艏開展了數值選型研究，并通過對比分析得到一種伴流分布相對較好的球鼻艏方案。

1 計算模型和網格劃分

用于計算的商船船長 172m，船寬30m，設計吃水9.5m，方向系數0.827，模型縮尺比的大小為1:29.197，橫剖面型線圖如圖1所示。計算模型采用GAMBIT軟件生成。由于船體是關于其中線面對稱的，而且本文計算的主要意圖是獲得船體后螺旋槳盤面處的軸向伴流分布，因此利用流場的對稱性，計算域可以使用疊模法進行處理，也就是只計算半個船體所在的流場，這樣可以使計算網格的數目減少一半以減少計算時間。合理的計算域為從船的首端向前延伸1個船長，從船的尾端向后延伸4個船長，沿船的寬度方向向外延伸5個半寬，沿船的深度方向向下延伸7個吃水。

圖1 中橫剖面

本文網格劃分采用結構化網格和非結構化網格相結合的方式，靠近船體的部分劃分非結構網格，在船體近壁區域劃分邊界層網格，并在螺旋槳盤面處進行局部網格加密[1-5]，如圖2所示，從而更好地捕捉伴流場，距離船體較遠的部分劃分結果網格，以控制網格數目，劃分的計算域如圖3所示。

圖2 加密之后的尾部網格切面

圖3 流場網格劃分

2 軸向伴流場的數值計算及計算結果的驗證

在對計算域劃分網格之后，對邊界條件進行設置，具體設置如下：

1）速度入口為均勻流，流速為1.304m/s；

2）速度出口，設置為自由出口；

3）船體表面設置為無滑移壁面；

4）設計水線和中縱剖面所在的平面設置為對稱面；

5）外場設置為自由滑移壁面。

本文采用CFX求解器和SSG雷諾應力模型對尾流場進行預報，經驗證，該模型[6]在預報肥大型船尾流場上具有更高的精度。為了驗證計算結果的模擬精度，在槳盤面處取半徑為0.4R、0.7R、0.9R、1.0R、1.1R的多個圓環，每個圓環上每隔 10°取一個點，比較這些點上的軸向伴流分數。比較計算得到的軸向伴流分數與試驗值[7]如圖4~圖8所示，圖中的0°在槳盤面正上方，180°在其正下方。

圖4 0.4R處的伴流分布

圖5 0.7R處的伴流分布

圖6 0.9R處的伴流分布

圖7 1.0R處的伴流分布

圖8 1.1R處的伴流分布

由圖4~圖8可得，該肥大型船軸向伴流分數的預報值與試驗值總體吻合良好，除在0.4R處的預報結果與試驗結果偏差較大外，其他位置的伴流分數預報結果基本與試驗值一致，從而證實本文所采用的伴流場預報方法具有較好的適用性，可用于進一步開展球鼻艏數值選型研究。

3 不同球鼻艏對應的伴流場的對比

3.1 球艏的主要參數

由于方形系數在0.8以上的肥大型船平行中體占了船體的大部分，因此本船的修改球鼻艏的原則是保持主尺度系數基本不變，對船首的線型做局部改型。在參考了有關船型修改的文獻[8]之后，建立的幾個球鼻艏樣式的主要參數如表1所示，其中Ab是首柱處的球鼻艏剖面面積，AM船中橫剖面的面積，L是球鼻艏的最前部到首柱的距離，LPP是船的垂線間長，h是球鼻艏最前點和靜水面的距離，T為船的吃水，bmax是首柱處球鼻艏剖面的最大寬度，B為船的寬度。首部形狀的剖面圖如圖9所示。

表1 球鼻艏的主要參數

圖9 球鼻艏剖面圖

3.2 伴流場的定量比較

對于各改型球鼻艏船模，網格劃分和計算域的邊界條件等參照前文所述，從圖4~圖8預報結果可以看出，半徑為0.4R處的伴流分數與實際試驗結果相差較大，因此半徑為0.4R處的預報結果參考價值不大。為了方便對計算結果進行比較，在每艘改型船的槳盤面處各取半徑為 0.7R、0.9R、1.0R、1.1R的多個圓環，每個圓環上每隔 10°取一個點，比較這些點上的軸向伴流分數。計算得到的各艘改型船的槳盤面處軸向伴流分數的比較如圖 10~圖 13所示。由圖10~圖13可以看出，改型3和改型2的伴流分布均比母性船好，改型1的伴流分布與母性區別不很顯著。

圖10 0.7R處的伴流分布

圖11 0.9R處的伴流分布

圖12 1.0R處的伴流分布

圖13 1.1R處的伴流分布

3.3 伴流場均勻性的判斷

目前，對于伴流的均勻程度并沒有一個統一的判別標準，大部分的衡準值考慮了伴流的主要方面，本文采用的是WOF方法[9]。伴流目標函數WOF方法主要衡量得失軸向伴流的均勻性，其值越小說明伴流越均勻，定義如式（1）所示。

由式（1）可知，為了得到某船型的WOF值，首先應在4/7R、5/7R、6/7R和R的位置上從0°~350°每隔 10°取一點，得到該點的伴流值。然后按照式（1）計算得到該球鼻艏樣式下的WOF值。本文設計的球鼻艏對應的各船型計算得到的WOF值如表2所示。從表2中可以直觀的看出，改型3的軸向伴流最為均勻。

表2 各船型的WOF值

4 結論

本文采用 CFD技術首先預報了某肥大型船的伴流場，通過與試驗值的對比驗證了該數值預報方法的可靠性，在此基礎上，以該球鼻艏為基礎，修改了球鼻艏參數，預報了不同球鼻艏對應的伴流場，并使用WOF方法來衡量不同球鼻艏方案對應的軸向伴流均勻情況，通過對比分析得到一種伴流分布相對較好的球鼻艏方案。本文的研究表明，球鼻艏對伴流場的影響顯著，在船舶設計中除了考慮球鼻艏對阻力的影響外，還應兼顧考慮其對伴流場的影響，從而使設計的球鼻艏既能減小船舶的興波阻力，又能進一步提高其推進效率。

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