基于Maxsurf球鼻艏型線的船舶減阻方法

張盛龍，吳恭興

（上海海事大學(xué)，a. 商船學(xué)院；b. 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

基于Maxsurf球鼻艏型線的船舶減阻方法

張盛龍a，吳恭興b

（上海海事大學(xué)，a. 商船學(xué)院；b. 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

為了探究球鼻艏寬度與船舶快速性的關(guān)系，在對某漁政船的主尺度和機型已定的情況下，針對相同船型設(shè)計了三種不同寬度的球鼻艏，利用maxsurf軟件中的新細(xì)長體理論，首先計算原船的興波阻力系數(shù)和有效功率，并將計算結(jié)果和船模試驗值相比較，結(jié)果表明該方法和試驗值較為接近；接著計算三種不同球鼻艏的船的興波阻力系數(shù)和有效功率。結(jié)果表明適當(dāng)增加球鼻艏的寬度可以減小船舶的興波阻力，提高船舶有效功率，進而提高了船舶的快速性。

漁政船；球鼻艏；相對寬度；有效功率；興波阻力

0 引言

隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，球鼻艏廣泛用在船舶建造中，其作用主要是減小船的興波阻力，提高船的有效功率，從而達到高效率、節(jié)能的優(yōu)點。球鼻艏形式有多種，例如：常規(guī)型、水滴型、埋首型、撞角型、V型等。不同形狀的球鼻艏產(chǎn)生的減阻大小各不相同。因此，為了滿足人們的現(xiàn)實需求，選擇合適的球鼻艏是非常重要的。

隨著電子計算機的發(fā)展，計算機輔助軟件所研究的線性優(yōu)化得到了廣泛應(yīng)用。邵善慶在文獻[1]中通過對型線的合理修改，并進行船模試驗總結(jié)出Fn=0.362的中速船舶的水線的長度特別敏感，稍有改變，便可收到一發(fā)撥千斤的效果，而且對于船長較小的船舶來說，在不影響適航性能的前提下，其艏柱不宜追求外形而采用過大的前傾，艉部反傾角壓流線型，對于小船在Fn=0.362處，不能起到增加虛長度的效果，反而會增加阻力；文獻[2]采用CFD軟件對比較了船舶不同首尾線型的優(yōu)劣，尋找到了合適的首尾線性；文獻[3]通過模擬計算與實驗對比，驗證CFD在船舶阻力性能預(yù)報中的合理性和有效性，但是CFD軟件計算的時間較長，不可以快速得到需要的結(jié)果；文獻[4]對漁船進行研究，利用試驗方法通過增設(shè)球艏以達到進一步減阻節(jié)能的目的。本文以某漁政船為例，利用澳大利亞公司研制的maxsurf軟件，分析求解了某漁政船在不同球鼻艏寬度下的興波阻力和有效功率，旨在快速得到球鼻艏寬度與船舶的快速性之間的關(guān)系。

1 理論求解方法

新細(xì)長體理論是由Nobless在1983年提出，他的理論新穎而且比較完善，該理論是預(yù)測長度為L的船舶在無限水域的自由表面以速度為U做定常線性運動時受到的興波阻力。它假設(shè)：1）流體是均勻、不可壓縮、無粘性、密度為ρ的理想流體；2）流體是無旋的；3）船舶在無線深水域；4）不計流體表面張力、船艏碎波、飛濺等影響。

設(shè)船長、船寬、吃水分別為L、B、T，當(dāng)船在自由表面以速度為U做定常線性運動時，建立隨船坐標(biāo)系O-XYZ，X軸平行于船舶運動方向并指向船艏且與U同向，Y軸指向左舷，Z軸垂直向上；XOY平面位于未受擾動的靜水平面上且與船舶中橫剖面重合，XOZ平面與船舶的縱中剖面重合。根據(jù)相對運動原理，流場總速度式為：

式中：Φ 為滿足拉普拉斯方程，20? Φ= ；φ為船體擾動速度式；φ′為均勻來流速度式，φ′=Ux。

建立自由表面條件：

1）運動學(xué)自由表面條件：

2）動力學(xué)自由表面條件：

線性化可得到相應(yīng)的線性化自由面邊界條件：

建立物面條件：

因此可得出無量綱速度式在流場中應(yīng)滿足的定解條件：

?2Φ= 0（流場中）；（船體表面）；（z=0）；輻射條件：船前無波。

根據(jù)格林公式，在近場和遠場的速度勢表達式如下：

式中：h為船體表面；c為平均水線；σ為船體以外的無界靜水面。

將（5）式改寫成：

公式（6）通過如下迭代公式求解：

從而得到各階興波阻力：

2 艏部型線的選擇

漁政船是進行海上漁政監(jiān)管與執(zhí)法的專業(yè)船只，應(yīng)用越來越廣泛。快速性是保證其順利完成任務(wù)的關(guān)鍵因素。為了提高船舶的快速性，利用某漁政船進行分析，在保證該船主尺度與主機不變的情況下，只改變球鼻艏的寬度，探討球鼻艏寬度與船舶的快速性之間的關(guān)系。對于球鼻艏的變化引起的Fn變化較小，本文將忽略不計。該船型線圖主要尺度如表1所示。

表1 某漁政船的基本參數(shù)

本文設(shè)計了三種不同球鼻艏，只改變球鼻艏的最大寬度，長度沒有變化，分別命名為船1、船2、船3，船1為原船球鼻艏，船2和船3的球鼻艏寬度按順序依次增加。三種船的球鼻艏模型圖如圖 1所示。與之相對應(yīng)的型線圖分別如圖2所示。球艏的基本參數(shù)中，相對寬度（Br）的公式如下：

式中：Br為球艏相對寬度；Bpp為首垂線處球鼻最大寬度；B為船寬。

圖1 球鼻艏

利用maxsurf軟件中的hullspeed模塊計算船1的興波阻力系數(shù)和有效功率，計算方法為新細(xì)長體理論，把計算的結(jié)果與實驗值進行比較，可以得到如圖3所示的結(jié)果。

圖2 型線

圖3 船1實驗值與新細(xì)長體理論的興波阻力比較

從圖3中可以看出，新細(xì)長理論計算的結(jié)果與試驗值偏差較小，除了航速很高時計算結(jié)構(gòu)有突變，不太準(zhǔn)確，在低航速時可以近似替代試驗值進行估算，利用此方法計算興波阻力是可行的。因此利用該方法分別計算船1、船2和船3的興波阻力系數(shù)大小，其結(jié)果如表2所示。

表2 三種不同球鼻艏的興波阻力系數(shù)大小

由表2可知，依次增加球鼻艏的寬度，興波阻力系數(shù)會依次變小，興波阻力變小，船3的興波系數(shù)阻力最小，對應(yīng)的興波阻力也最小，大約減小了船1的1.13%，這對船舶的航行是有力的。因此適當(dāng)增加球鼻艏的寬度可以有效的減小船舶的興波阻力，提高船舶的快速性。

同樣，利用該方法計算船1的有效功率，計算的結(jié)果與實驗值進行比較，可以得到圖4的結(jié)果。

從圖4中可以看出，利用該方法得到的數(shù)據(jù)與實驗值結(jié)果相似，用該方法求得的船舶有效功率也是可行的。因此利用該方法分別算出船1、船2和船3的有效功率，數(shù)值如表3所示。

圖4 船1實驗值與新細(xì)長體理論的有效功率比較

表3 三種不同球鼻艏的有效功率大小

從表3可以看出，隨著球鼻艏寬度增加，有效功率增加，模型3的有效功率提高了0.5%，說明適當(dāng)增加船舶球鼻艏的相對寬度對船舶的航行狀態(tài)是有利的。因此，適當(dāng)增加球鼻艏的寬度可以有效增加船舶的有效功率，提高船舶的快速性。

3 結(jié)束語

本文利用maxsurf軟件中hullspeed模塊的新細(xì)長體理論，以某漁政船為例設(shè)計了三種不同寬度的球鼻艏，并計算了3條船的興波阻力系數(shù)和有效功率，所得結(jié)論如下：

1）利用了新細(xì)長體理論計算了船舶的興波阻力和有效功率，該方法適用于此類低速的漁政船，是一個適用、快速的方法。

2）適當(dāng)增加球鼻艏的寬度，可以減小船舶的興波阻力，提高船舶的有效功率，進而提高船舶快速性。

3）對于此類漁政船，航速越大，計算的結(jié)果有較大的偏差，該方法暫不適合計算高航速下的興波阻力和有效功率。隨著船舶理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，今后將仔細(xì)研究此類漁政船在高航速下的船舶快速性與球鼻艏寬度的關(guān)系。

[1] 邵善慶. 小尺度500t漁政船阻力和型線淺析[J]. 船舶, 1994(6): 41-44.

[2] 沈海龍, 蘇玉民, 龐永杰, 等. CFD技術(shù)在某肥大型船型開發(fā)及優(yōu)化設(shè)計中的運用研究[C]// 第十五屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集. 2011: 171-174.

[3] 王超, 何苗, 王偉, 等. 艏艉線型優(yōu)化對船舶阻力性能的影響[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報, 2011(4): 75-81.

[4] 梁建生, 譚文先. 漁船減阻節(jié)能球艏的模型比較試驗研究[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化, 2009, 36(4): 54-61.

Method of Reducing Ship Resistance of the Bulbous Bow Based on Maxsurf

Zhang Sheng-longa, Wu Gong-xingb

(a. Merchant Marine College; b. Marine Science and Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

In order to study the relationship between the width of bulbous bow and the ship speed, three kinds of bulbous bow with different width are designed for the same ship under the condition that a certain fishery administration ship’s principle dimension and host type has been set. First, the wave resistance and effective power about the original ship are calculated by maxsurf and the result and test value are compared. Result shows it is close to the test value. Then the wave resistance and effective power of the three kinds of ship are calculated. The result shows that proper increasing of the bulbous bow width maybe one of the best way to reduce the ship wave resistance and improve ship effective power and the rapidity of the ship speed.

fishery administration ship; bulbous bow; relative width; effective power; wave resistance

U661.31

A

1005-7560 (2014) 06-0005-04

國家自然科學(xué)基金（51309148）

張盛龍（1988-），男，碩士，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物專業(yè)。