基于CFD的金槍魚延繩釣漁船球鼻艏形狀研究

2015-01-03 07:33:50鄭建麗楊高勝

船舶 2015年4期

李超鄭建麗張怡楊高勝

（農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室，中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所上海200092）

引言

燃油成本在漁船捕撈中占有很高比重，開發性能優越的船型、提升船舶的快速性指標、節能減阻降耗已成為新型漁船設計領域必做的研究內容［1］。在現代船舶設計中，球鼻艏已廣泛應用于各軍用和民用船舶中，適當的球鼻艏可有效地減小興波阻力，在漁船領域球鼻艏的應用也越來越廣泛。球首的形狀可以變化出很多種，常見的球鼻艏形式有撞角型、水滴型和S-V上翹型共三種，不同船型會選擇不同形式的球鼻艏，而不同形式的球鼻艏對阻力性能的影響也各不相同［2-4］。采用傳統的模型試驗方法，國內學者對于漁船使用球鼻艏進行減阻研究已取得一定的成果［5-6］，但模型試驗法存在耗費大、周期長且不可重復利用的缺點。近年來，隨著計算機硬件不斷升級，計算流體力學（CFD）也得到快速發展，CFD技術已成為船舶水動力性能研究的重要手段，并逐漸應用到漁船領域。本文以一條新設計的金槍魚延繩釣漁船為研究對象，設計三種不同形式的球鼻艏。通過CFD方法分別對其船體阻力性能進行數值模擬，并通過比較得出一種適用于該型金槍魚延繩釣漁船具有較好減阻效果的球鼻艏形式。

1 CFD控制方程

船模在靜水中以速度V作勻速直線運動，模擬過程中假定船模靜止，遠方來流以相對船模的-V速度勻速流動，且流體為不可壓縮。本文采用Flow-3D軟件進行數值模擬，用VOF法追蹤自由液面，采用N-S方程建立三維RNGk-ε數學模型，控制方程如下［7］：

連續性方程：

動量方程：

湍動能k方程：

湍流耗散率ε方程：

式中：u、v、w是在x、y、z三個方向上的速度分量；Ax、Ay、Az表示x、y、z三個方向的面積分數；Gx、Gy、Gz為x、y、z三個方向的重力加速度；fx、fy、fz是三個方向的粘滯力；VF是可流動的體積分數；ρ是流體密度；p是作用在流體微元上的壓力；k為湍動能；ε為湍流耗散率；μ為動力粘性系數；；Gk為湍動能k的產生項，分別為湍動能和湍流耗散率所對應的普朗特數，均為1.39；是經驗常數，分別為 1.42、1.68。

2 數值模擬及驗證

2.1 計算域選取及網格劃分

本文計算模型取自一艘新設計的49.5 m金槍魚延繩釣漁船，船體主尺度見表1，首先為該船設計了撞角型球鼻艏（如圖1所示），數值模型根據拖曳水池船模大小建立，縮尺比為1∶12，計算區域取船首和船側1倍船長、尾部4倍船長、底部以下1倍船長。由于船體結構的對稱性，為節約計算時間本文取船體半寬進行模擬，模型和計算域如圖1和圖2所示。

表1 船體主尺度

圖1 船體計算模型

圖2 計算域網格

網格劃分是數值模擬計算最關鍵的一步，Flow-3D通過有限差分法和其自帶的FAVOR技術相結合的方法進行網格劃分，與傳統的有限差分法相比，Flow-3D的網格更貼近于實際模型，其網格劃分以結構化網格為基礎，裁剪出一部分網格來表示光滑的曲面，FAVOR技術利用簡單的矩形劃分來比擬復雜的幾何體，容易生成網格且計算精度高，處理網格時操作也比較簡單。為獲得更加精確的模擬效果，將整個計算域劃分為三個網格區域，在船體周圍由內向外、由密到疏，保證網格有良好的過渡性（見圖2）。由于該船首尾處曲率過度較大且形狀較為復雜，容易產生較大興波，在網格劃分時要作適當加密處理，加密網格如圖3和圖4所示。