肥大型氣泡船底部凹槽構型設計及優化＊

吳 浩 歐勇鵬

（海軍工程大學艦船工程系 武漢 430033）

0 引 言

目前，氣層減阻技術引起了國際造船企業廣泛的關注和研究，該技術在俄羅斯發展最為成熟，大批的氣泡船被建造并投入運營，荷蘭、日本及西歐的一些研究機構也分別開展了大規模的實船演示驗證［1－3］.我國氣層減阻技術在高速艇上的應用研究已經取得了較大突破［4－5］，但針對排水型運輸船舶減阻方案的研究尚處于起步階段.陳克強等［6－7］，針對過渡型高速艇開展了噴氣減阻試驗研究，并在循環水槽里開展了某低速船的噴氣減阻模型試驗［8］.王 家 楣 等［9－10］開 展 了 船 舶 吃 水 及 噴氣位置對微氣泡減阻效果影響的試驗研究.其研究結果表明，吃水、噴氣位置、航速同時影響微氣泡減阻效果；噴氣位置及航速不同，吃水對減阻率的影響規律不同.而目前尚未有對10萬t級大型運輸船舶氣層減阻設計的相關研究.

鑒于上述原由，開展了載重量95 000t散貨船噴氣減阻方案設計，數值研究了船底凹槽構型對氣層形成、與船底適配性及船體阻力的影響規律.試圖通過構型的設計及優化，為突破大型氣泡船的船型技術提供有益幫助.

1 設計原則

由文獻［4－5］可知，在船底設置凹槽并噴氣可大幅降低船舶的航行阻力.然而凹槽參數對氣層的穩定性及氣層與船體的適配性有重要影響.一般認為，船底凹槽設計應遵從以下原則：（1）船底設置凹槽后，不噴氣下的阻力增加不大，噴氣后阻力可大幅降低.（2）凹槽面積盡量大，以保證足夠的氣層覆蓋面積.（3）凹槽對氣層具有良好的保護效果，使得氣層具備較強的抵抗外界干擾的能力.（4）凹槽具有良好的導流功能，氣體從凹槽首部向尾部流動，并從恰當的位置處平穩離開凹槽，不會對螺旋槳、舵等的性能帶來不利影響.

通過建立大型氣泡船數值模型，在上述原則的指導下開展船底凹槽設計，試圖提出有效的大型船舶氣層減阻設計方案.

2 RANS數值計算方法

母型船為載重量95 000t散貨船，船模的基本參數見表1.

表1 散貨船模型船體參數

在計算過程中，針對不同的問題采用不同的數值方法.在進行凹槽構型方案對比時，氣層主要影響底部流場，可忽略船體興波的影響，將自由興波面簡化為固定的無摩擦壁面，網格劃分及邊界設置見圖1.在開展噴氣減阻率預報時，計入船體自由面興波的影響，網格劃分及邊界設置見圖2.

圖1 疊模網格方案及邊界設置

圖2 計入自由面興波的網格方案及邊界設置

圖1 中，流域采用全結構化網格離散，網格總數為110萬.入口為速度入口，距離船首1倍船長；出口為靜壓出口，距離船尾2倍船長.流場側面距離船體表面1倍船長，均設置為光滑壁面，中縱剖面設置為對稱面.

圖2中，計算區域采用混合網格進行離散，分為內域和外域兩個部分.內域為距離船體1倍船長的范圍，采用全結構化網格進行離散，外域則采用非結構化網格進行離散.網格單元總數為180萬.

在上述2種網格方案中，船體表面上的網格布局基本一致，船體表面法向設置邊界層網格，在所計算的速度范圍內，y＋值為40～150.船體表面上的全結構化網格見圖3.

圖3 船體表面上的全結構化網格

采用上述網格劃分方案，通過求解RANS方程對噴氣作用下的大型船舶粘性流場進行分析，湍流模型為RNGk－ε模型，兩相流為VOF方法；控制方程的離散為二階迎風格式，壓力與速度的耦合為SIMPLEC算法，收斂精度為10－4.

3 凹槽構型方案

圖4給出了船底凹槽4種設計方案的示意圖，凹槽基本參數見表2.表中：Lh／Lwl為凹槽長度與水線長之比；Bh／Bwl為凹槽寬度與水線寬之比；S／Sw為凹槽面積與濕表面積之比.

圖4 凹槽的不同設計方案示意圖

表2 船底凹槽方案及其參數 %

凹槽從平底首部開始，凹槽頭部為弧形，寬度逐漸增加直至為水線寬的82.11%，之后寬度保持不變向后延伸，凹槽尾部具有斜坡構型.4種凹槽的不同之處主要在于凹槽的尾部形狀及截止位置.凹槽的不同設計方案示意圖見圖4.方案1的尾部寬度與凹槽總寬一致；方案2的內部設置2塊縱向隔板，將凹槽分割為3個部分，其中兩個側面凹槽長度一致，寬度為20.53%Bwl，居中的凹槽長度略大，寬度為41.05%Bwl，凹槽尾部呈階梯型；凹槽方案3的尾部逐漸收縮，尾端寬度為41.05%Bwl.凹槽方案4與方案3基本一致，主要不同之處為方案4的凹槽尾部設置有一個輪廓為半弧形的導流塊.

4 方案對比及優化

4.1 氣層適配性

圖5給出了Fr＝0.155，Cq＝0.056不同凹槽方案下的船底氣層圖像，凹槽深度均為0.45%Lwl.從圖5可見，噴氣后，4種凹槽方案均可形成長氣穴，將船底的大部分面積與水完全隔離開來.凹槽形式對氣層形成的影響不大，但對氣體的溢出有所影響.采用凹槽方案1及方案2時，氣體從凹槽尾部及凹槽首部稍后位置處溢出；采用凹槽方案3及方案4時，氣體主要從凹槽尾部兩側溢出.

圖5 不同凹槽方案的船底氣層圖像

圖6 為不同凹槽方案下，船體表面上的氣相分布圖.從圖6可以看出：采用凹槽方案1與方案2時，氣層在凹槽尾部破碎，形成氣液混合流，并在來流作用下向船尾擴散，有一部分氣體進入螺旋槳工作區.采用凹槽方案3與方案4時，氣層在凹槽尾部平穩地向兩側分開，并從舷側離開船體表面，幾乎沒有氣體進入螺旋槳工作區.從圖6c）與d）還可以看出，凹槽方案3的尾部構型本身具有良好的氣層分流功能，此時安裝尾部導流塊對氣層的分流作用不明顯.

圖7 給出了凹槽方案3的氣體流動軌跡線，從圖7可以明顯的看出：氣體在凹槽中形成多次回流，最后從凹槽尾部兩側溢出.

圖7 凹槽方案3氣體流動軌跡線

表3給出了不噴氣及飽和噴氣下，不同凹槽方案摩擦阻力的變化，其中Fr＝0.155，氣流量Cq＝0.056.由表3可以見，飽和噴氣后，不同凹槽方案所獲得的摩擦阻力減少有所不同，但差別不大；減阻率與凹槽所占濕表面積的比例相近，其中方案3所得噴氣前、噴氣后的摩擦阻力絕對值最小.

表3 Fr＝0.155時不同凹槽方案下的摩擦阻力及其減阻率對比

圖8給出了不噴氣時凹槽構型方式對阻力的影響.由圖8可見，不噴氣時，設置船底凹槽使得總阻力增加.圖9為開槽不噴氣時的阻力相對于光體阻力的增值，由圖9可見，在本文所設計的4種凹槽中，方案2阻力增加最大，方案3與方案4的阻力增加較小，且兩者的阻力增值相當.

圖8 不噴氣時不同凹槽方案的阻力對比

圖9 未噴氣時凹槽導致的阻力增加

綜上所述，在凹槽面積差別不大的情況下，飽和噴氣形成穩定氣層后，凹槽形式對噴氣后摩擦阻力的影響不大.但凹槽形式對氣層形態及氣層的溢出情況影響較大，尤其是凹槽尾部構型，不恰當的設計使得氣體進入螺旋槳工作區，可能會影響推進性能.從上述分析還可以看出，本文設計的凹槽方案3，4具有較好的性能，不僅可形成長氣穴，阻力大幅降低，且可使氣體從凹槽尾部兩側平穩溢出，與船體具有良好的適配性，同時不噴下的阻力增值較小.其中，方案3的結構形式較方案4簡單.

4.2 凹槽深度的影響

圖10～11給出了槽深變化對凹槽方案3不噴時總阻力及阻力增加的影響.從圖中可以看出：槽深增加，不噴氣下的阻力增大.可見，在保證可形成長氣穴的前提下，槽深不宜過大.

圖10 槽深對凹槽方案3不噴氣時阻力的影響

圖12 給出了不同凹槽深度下，船底氣層的分布情況，從圖12可以看出：穩定氣層形成后，凹槽深度對氣層分布的影響不大.

圖11 槽深對方案3不噴氣下阻力增值的影響

圖12 凹槽方案3不同槽深下的船底氣相圖

表4給出了Fr＝0.155，凹槽方案3不噴氣及飽和噴氣下的單位排水量阻力隨槽深的變化.其中：ΔR／W 為未噴氣時凹槽導致的阻力增加.由表4可見，凹槽深度主要影響不噴氣時的阻力，對噴后的阻力影響不大；凹槽深度增加，不噴氣下的阻力增大.

表4 Fn＝0.155槽深對噴氣前后阻力的影響 %

4.3 減阻率預報

表5給出了模型光體阻力、凹槽方案3飽和噴氣下的阻力隨航速的變化，其中氣流量Cq＝0.056.由表5可見，模型設置底部凹槽，噴氣后阻力大幅度降低，阻力的降低值隨航速的增加而增大.

表5 模型光體及噴氣后阻力的數值結果 N

圖13給出了絕對減率隨Fr的變化.絕對減阻率指的是模型設置凹槽并噴氣的阻力相對于光體阻力的減小率.由圖13可見，絕對減阻率隨速度的增加呈降低趨勢，在計算的速度范圍內，減阻率可達25%以上，最大減阻率為31.98%.

圖13 模型絕對減阻率的數值預報結果

5 結 論

1）通過4種凹槽構型計算結果的對比分析，獲得了阻力大幅降低、氣層穩定性良好，且與船體具有較好適配性的設計方案.

2）凹槽深度主要影響不噴氣下的阻力；噴氣形成長氣穴后，凹槽深度對阻力的影響不大.

3）載重量95 000t散貨船模型底部設置凹槽并噴氣，絕對減阻率可達25%以上，最大可達31.98%.

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