組合附體對雙體船水動力性能的影響分析

邵菲, 郭志群, 韓端鋒, 鄭曉光

(1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116001)

組合附體對雙體船水動力性能的影響分析

邵菲1, 郭志群1, 韓端鋒1, 鄭曉光2

(1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116001)

雙體船具有低阻力、高航速、良好操縱性和甲板寬大等優點，但是由于長寬比較小，雙體船在斜浪中的扭搖運動比較劇烈。為了改善雙體船的耐波性，采用T型水翼作為減搖附體來提高船體的附加質量和阻尼。然而，使用T型水翼進行減搖可能造成雙體船的航行阻力增大。本文提出了采用尾壓浪板改變船體縱傾、以對帶T型水翼的雙體船進行減阻的方案，并基于數值仿真和模型試驗等手段，對比研究了不同航速下加裝與不加裝T型水翼及壓浪板的雙體船的航行阻力和耐波性。研究結果表明，在Fn=0.5～0.8的高航速段內，與雙體船裸船體相比，加裝了T型水翼和壓浪板的雙體船在靜水中的航行阻力略有減小，而在波浪中的升沉運動響應平均減小了11.2%，縱搖運動平均減小了21.3%。采用T型水翼和壓浪板作為組合附體，可實現雙體船的阻力和耐波性等水動力性能優化的目的。

雙體船；T型水翼；壓浪板；組合附體；減搖；減阻

雙體船較之常規的單體船，具有高航速、穩性好、吃水淺、甲板面積大和機動性能高等高水平的綜合航海性能，被廣泛的應用于高速車客渡船、軍用高性能作戰艇和隱身艦。但是，在中等或惡劣海況下、特別是在斜浪中，由于雙體船的長寬比較小，縱橫搖周期接近，船體極易出現縱橫搖耦合的扭搖現象，造成船員暈船等不良后果[1]。為了減少雙體船的縱搖或扭搖現象，有的研究者在船艏加裝SSB附體(半潛艏)[2]以提高船體的耐波性。不過由于SSB附體顯著改變了船艏線型，在某些船型如穿浪雙體船上安裝可能會導致穿浪效果變差。更為常見的減搖方式是在船艏底部加裝T型水翼來提高雙體船的附加質量和阻尼，進而減小船體的運動響應[3-4]。然而,盡管T型水翼具有顯著的減搖效果，但它的存在又造成了雙體船航行阻力增加的后果[5]。

另一方面，相關研究表明[6]，截流板和壓浪板對中高速雙體船有一定減阻的效果,一般可減阻6%以上。因此，為了抵消T型水翼帶來的增阻影響，近年來也有研究工作[5]考慮在帶T型水翼的雙體船尾部加裝鰭、截流板或壓浪板等附體形式。研究結果顯示[5]，T型水翼+鰭的減搖效果明顯但減阻效果相對較差，T型水翼+截流板的減阻效果明顯但減搖效果卻相對較差，唯有T型水翼+壓浪板的組合附體形式兼有較好的減阻和減搖效果。但文獻[5]所涉及的附體工況較少，壓浪板下壓角固定在5°，研究得出的結論是，僅在傅汝德數Fn>0.8之后，加裝T型水翼+壓浪板的雙體船阻力才比裸船體低。當然，關于(T型)水翼和壓浪板的研究工作在其他一些文獻里也有涉及，如盧曉平等[7]研究了消波水翼及壓浪板度高速船航態和阻力的影響，Esteban[8]和王五桂[9]使用T型水翼和壓浪板對高速船的耐波性運動進行控制等。不過，這些工作或側重于對帶水翼和壓浪板附體的船舶阻力的研究，或側重于對耐波性運動及其控制的研究，而對這兩方面水動力性能進行綜合優化研究的工作尚不多見。

本論文所研究的雙體船感興趣的航速范圍在0.5

1 CFD數值仿真模型

本文CFD數值仿真的主要目的是對T型水翼及壓浪板的減搖、減阻效果進行判斷，以初步確定具有減搖和減阻效果的附體設計參數，便于后期開展水池模型試驗驗證及附體參數的進一步篩選。

由于基于勢流理論的雙體船興波阻力預報方法如Michell積分[10]、Noblesse細長體理論[11]及其改進方法[12-13]只能預報裸船體的興波阻力。而對帶T型水翼、壓浪板等附體的復合船型，由于附體附近的流動復雜、粘性效應不可忽略，使用勢流理論方法較難得出精確結果。為此，本文擬采用CFD技術預報雙體船裸船體及加裝組合附體后的航行阻力。考慮到附體選型涉及到較多的計算工況，為了提高計算效率，采用動網格技術[14-15]在CFD仿真計算中直接更新附體的尺寸參數。

同理，二維半、三維格林函數等勢流理論也只適用于預報雙體船裸船體的耐波性，而壓浪板附近的流場較為復雜，其附加質量、阻尼等水動力系數較難估算，因而采用勢流理論預報帶T型水翼+壓浪板組合附體的雙體船運動也有一定的困難。因而本文選用CFD方法中的重疊網格技術[16]預報雙體船裸船體及加裝組合附體后的縱向運動。

1.1 CFD數值水池設置

數值水池設置中，邊界條件形式采用速度入口和壓力出口的方式，如圖1所示，以浪向角為180°為例，速度入口位于距船首1.5倍船長，壓力出口距船艉部3倍船長，船體為剛性壁面，底部距船基線1.5倍船長，左右側壁距船側各1.5倍船長，消波區為1倍船長。

圖1 計算流域邊界劃分Fig.1 Division on the computational region

數值仿真軟件為Star CCM+，數值模型基于雷諾平均NS方程(RANS方程)，湍流模型選用SSTk-ω模型，數值離散方法是有限體積法。通過數值模擬發現，船體表面邊界第一層網格的無量綱厚度y+值取100即可取得較理想的計算結果[17]。

1.2 阻力仿真網格模型

為了節省仿真時間，在數值模擬中通過變形網格更新壓浪板的下壓角度，基本工作思路如下：從初始下壓角為5°的壓浪板開始進行計算，當流場趨于穩定得到收斂的阻力之后，調用變形函數，通過控制壓浪板邊界上控制點及域內其他網格節點的運動速度及運動時間使壓浪板的下壓角變為10°(如圖2所示)，當變形工作完成以后，進行下一階段的數值模擬，可以得到另一個穩定的流場并獲得收斂的阻力。重復此過程，即可得到船體帶不同下壓角度的壓浪板的阻力。上述過程在一次仿真計算中自動完成，而無需手工反復修改模型、劃分網格。阻力仿真所用的網格總數是120萬個。關于變形網格方法更多的處理細節可參考文獻[11-12]。

圖2 壓浪板的網格劃分示意圖Fig.2 The mesh grids around the flap

1.3 耐波性仿真網格模型

為了模擬雙體船在流體域中的運動，采用重疊網格技術進行流場網格劃分。即將覆蓋整個計算域的母網格和包含雙體船的子網格疊加來描述雙體船相對域的運動，如圖3所示。子母網格中的流場信息通過插值函數在重疊區邊界進行匹配和耦合。這種網格技術對能夠保證雙體船運動過程中，計算域內網格的空間拓撲結構不變，且網格質量好，計算精度高，耐波性仿真所用的網格總數是150萬個。

圖3 定義重疊網格后的雙體船網格Fig.3 Overlapped mesh for the catamaran

2 船模試驗

2.1 船模試驗工況

船模試驗包括：

1)裸船體的阻力和耐波性試驗。阻力試驗中船模航速在Fn在0.17～0.80內選取13個值；耐波性試驗中船模航速取Fn為0.5, 0.6, 0.7, 0.8等4個值，波長船長比在0.4～2.7之間選取9個值。

2)只帶壓浪板的船模阻力試驗。船模航速取Fn為0.69, 0.72, 0.77, 0.80等4個；壓浪板下壓角度取5°、10°和15°等3個。這一步試驗之所以不帶T型水翼，是為了排除T型水翼的增阻干擾，更好地驗證壓浪板的減阻效果。

3)帶T型水翼和壓浪板的船模阻力和耐波性試驗。壓浪板的下壓角固定取10°，阻力與耐波性的水池試驗工況與裸船體相同。

具體試驗思路是：先通過試驗確定雙體船裸船體的阻力和耐波性能；再通過帶不同下壓角壓浪板的船模阻力試驗確定壓浪板最佳的下壓角度；最后把已確定參數的T型水翼加入帶最佳下壓角壓浪板的雙體船中(T型水翼的升力(矩)對船體姿態的影響有限，其造成船模的縱傾角的改變相對于壓浪板的5°、10°和15°三個下壓角來說是小量，所以本文忽略了T型水翼對壓浪板最佳下壓角度的影響)，開展帶組合附體的雙體船阻力和耐波性試驗。

2.2 船體及附體模型參數

船模的主尺度參數分別如表1所示。

表1 雙體船模主要參數

壓浪板共有5°、10°和15°等3個下壓角，表2所示的是10°下壓角的壓浪板參數。

T型水翼作為已確定的附體，不參與參數優選。T型水翼的主要作用是在雙體船運動中提供附加質量和升力阻尼。T型水翼的主要參數如表3,圖4是T型水翼的模型及在船模上的安裝圖。

表2 壓浪板尺寸參數

表3 T型水翼尺寸參數

圖4 T型水翼模型Fig.4 T-foil model

需要指出的是，由于本文的研究對象是雙體船，所以每個船體下各有一套T型水翼和壓浪板。

3 數值和船模試驗結果分析

3.1 阻力結果分析

圖5所示的是加裝不同下壓角壓浪板的雙體船(標作“Flapθ=5°,10°,15°”)與裸船體(標作“Bare”)的無量綱阻力(篇幅所限，這里僅給出試驗結果)對比。無量綱阻力的計算公式為

(1)

式中：R是船體阻力，ρ是水的密度，S是裸船體濕表面，V是航行速度。

從圖5可看出，在高航速下，三種不同下壓角的壓浪板均可使雙體船阻力降低，其中下壓角θ=10°的壓浪板減阻最多(平均減阻6.1%)。因而從本試驗研究中可優選出θ=10°的壓浪板與T型水翼組成組合附體用于下一步的雙體船減阻和減搖研究。

圖5 加裝不同下壓角壓浪板的雙體船阻力(θ=5°, 10°, 15°)Fig.5 Resistance of the catamaran without flaps / withflaps ofdifferent attack angles (θ=5°, 10°, 15°)

圖6所示的是雙體船裸船體(標作“Bare：EFD”和“Bare：CFD”)和加裝了T型水翼(參數見表3)及壓浪板(參數見表2)的復合船體(標作“T-foil+flap：EFD”和“T-foil+flap：CFD”)在靜水中的無量綱阻力對比。其中“EFD”表示數據來自模型試驗，“CFD”表示數據來自CFD數值仿真。數值仿真結果與模型試驗結果吻合得較好。數值仿真和模型試驗結果均表明，在中低航速段(Fn<0.5),加裝了組合附體的雙體船阻力大于裸船體阻力；而在高航速段(0.5

圖6 加裝組合附體前后雙體船的阻力(θ=10°)Fig.6 Resistance of the catamaran with/without T-foils and flaps (θ=10°)

可見，所設計的T型水翼和壓浪板方案滿足目標雙體船在高航速段的阻力優化目的。

3.2 耐波性結果分析

圖7～10展示的是在航速0.5

圖7 加裝組合附體前后雙體船的運動對比(Fn=0.5)Fig.7 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.5)

圖8 加裝組合附體前后雙體船的運動對比(Fn=0.6)Fig.8 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.6)

圖9 加裝組合附體前后雙體船的運動對比(Fn=0.7)Fig.9 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.7)

圖10 加裝組合附體前后雙體船的運動對比(Fn=0.8)Fig.10 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.8)

從圖中可以看出，在雙體船的高航速范圍內，加裝了組合附體后其運動響應得到明顯的改善，尤其是在波長船長比大于2的長波中。根據試驗結果統計顯示，在0.5

另外，從圖中的結果可以看出，與試驗結果相比，CFD數值仿真結果在部分長波中有一定的偏差，但仿真結果基本反映了加裝組合附體后船體運動減小的趨勢。

4 結束語

本文研究了由T型水翼與壓浪板構成的組合附體對雙體船的阻力與耐波性的影響。研究結果表明，在高航速條件下(0.5

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Influence of built-up appendage on hydrodynamics of catamarans

SHAO Fei1,GUO Zhiqun1,HAN Duanfeng1, ZHENG Xiaoguang2

(1. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Dalian Shipbuilding Industry Co.,Ltd., Dalian 116001, China)

Catamarans feature low resistance, fast speed, good maneuverability, and a large deck area. However, due to their small length to breadth ratio, catamarans can twist in oblique waves. To improve the seakeeping performance of fast catamarans, T-foils have been used as stabilizing appendages to provide added mass and damping. However, one of the disadvantages of using T-foils is the increase in total resistance. In this work, our objective was to reduce the resistance of a T-foil-assisted catamaran by fitting flaps beneath both sterns to alter the hull trim. For this purpose, we conducted both numerical simulations and model experiments in a range of advancing speeds to investigate the resistance and seakeeping performance of catamarans with/without flaps and T-foils. Our results indicate that at high-speed navigation with Froude numbers from 0.5～0.8 in calm water, the resistance of the flaps-and-T-foils-assisted catamaran was slightly lower, and the heave and pitch response amplitude operator (RAO) values in waves were 11.2% and 21.3%, respectively, which are lower than those of unassisted catamarans. We also verified the validity of our catamaran hydrodynamic optimization method that employs a built-up appendage comprising flaps and T-foils.

catamaran; T-foil; flap; built-up appendage; motion control; drag reduction

2016-03-28.

時間：2016-12-12.

國家自然科學基金項目(51509053).

邵菲(1987-), 女, 博士研究生； 郭志群(1983-), 男, 講師, 碩士; 韓端鋒(1966-)，男，教授，博士生導師.

郭志群, E-mail:guozhiqun@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201603094

U674.951

A

1006-7043(2017)01-0053-06

邵菲, 郭志群, 韓端鋒，等. 組合附體對雙體船水動力性能的影響分析[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017, 38(1): 53-58. SHAO Fei ,GUO Zhiqun ,HAN Duanfeng,et al. Influence of built-up appendage on hydrodynamics of catamarans[J]. Journal of Harbin Engineering University,2017, 38(1): 53-58.

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