20 000 DWT江海直達(dá)散貨船迎流噴水減阻數(shù)值模擬研究*

楊 超 熊鰲魁

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

20 000 DWT江海直達(dá)散貨船迎流噴水減阻數(shù)值模擬研究*

楊 超 熊鰲魁

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

將迎流噴水減阻的方式引入散貨船中，以20 000 DWT江海直達(dá)散貨船作為研究對(duì)象，通過三維數(shù)值仿真軟件FLUENT對(duì)其在首部迎流噴水進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同的噴口面積、噴口位置以及不同的噴水速度對(duì)于船舶減阻效率及船舶性能的影響，并尋求最佳的迎流噴水減阻方案，推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展.

20 000 DWT江海直達(dá)散貨船；迎流噴水減阻；數(shù)值模擬

0 引 言

船舶作為運(yùn)輸業(yè)中最大的運(yùn)載體，每年的CO2排放量也占了很大的比重，據(jù)2008年英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道，全球航運(yùn)每年排放約11.2億t CO2，約占全球CO2排放量的4.5%.針對(duì)航運(yùn)業(yè)CO2過度排放問題，文獻(xiàn)[1]中提出了一系列公約.

在航運(yùn)業(yè)中，最有效、最直接的實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的途徑就是減少船舶的阻力.之前只是通過改善船體的線型來減小船舶的形狀阻力，這種方式的減阻效果并不明顯，并且線型的改善工作量較大，比較繁瑣.現(xiàn)在有一些新型的船舶減阻方式，日本等國(guó)家在大型中低速運(yùn)輸船型上利用氣層減阻，取得了一些突破[2-4]；Walsh等[5]將條紋溝槽減阻技術(shù)應(yīng)用到噴氣式飛機(jī)模型上，得到了6%的減阻效果，該技術(shù)被引入到船舶行業(yè)，也取得了一定的進(jìn)展；低壁面剪力涂層減阻，通過改變物體表面的表面性能，如疏水性或疏油性，減弱物體壁面與流體介質(zhì)間的親和性，直接減小壁面上的流體切變應(yīng)力，從而達(dá)到減阻的目的[6]；還有柔順壁面減阻、高分子聚合物添加劑減阻、壁面振動(dòng)減阻及前緣引流減阻，等等.

謝多夫[7]曾提出在被擾流物體前端迎流噴出射流可以產(chǎn)生推力，并通過推理和分析證實(shí)了這一猜想.劉一慧[8]將這一理論運(yùn)用到水下航行器中，使用David Taylor研究中心與美國(guó)國(guó)防預(yù)研規(guī)劃署(NSWCCD)共同發(fā)布的一種規(guī)范潛艇模型SUBOFF作為計(jì)算模型，在縮尺比為1∶24的條件下，利用FLUENT對(duì)其在首部迎流噴水進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究不同的噴口面積與噴水速度對(duì)潛艇的減阻性能的影響，計(jì)算結(jié)果顯示，潛艇在來流為5.144 m/s，噴水口面積為13.83×10-3m2，噴水速度為3 m/s時(shí)，減阻效率最佳，可達(dá)60%.

文中以謝多夫理論為指導(dǎo)，以20 000 DWT江海直達(dá)散貨船為載體，利用FLUENT軟件對(duì)其在首部迎流噴水進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究不同噴水面積以及不同的噴水速度對(duì)船體的減阻效果的影響規(guī)律，并推動(dòng)該減阻技術(shù)的發(fā)展，逐步將其應(yīng)用到實(shí)際生活中.

1 三維模型建立及網(wǎng)格劃分

1.1 船體主尺度

實(shí)船為20 000 DWT江海直達(dá)散貨船，船體的主要尺度與型線圖由長(zhǎng)江船舶設(shè)計(jì)院提供，本文中的計(jì)算模型是按縮尺比1∶31.98的縮小模型，實(shí)船主要尺度與縮小模型的主要尺度見表1.

表1 20 000 DWT散貨船實(shí)船和模型主尺度 m

1.2 計(jì)算域選取及網(wǎng)格劃分

由于研究的船體具有對(duì)稱性，故本文中的計(jì)算模型均只取船模的一半進(jìn)行研究.在船體首部劃分3個(gè)噴水噴口，由上至下分別稱為噴口1、噴口2和噴口3，噴口尺寸均為垂直寬度4 mm，垂直高度45 mm.計(jì)算域的選取按照以下規(guī)定：來流入口端距船首1倍船長(zhǎng)，來流出口端距船尾5倍船長(zhǎng)，橫向距離船舷1倍船長(zhǎng)，垂向距離船底1倍船長(zhǎng).

根據(jù)流場(chǎng)對(duì)于船舶性能的影響規(guī)律可知，距離船舶越遠(yuǎn)的流場(chǎng)對(duì)船舶性能影響越小，所以文中將計(jì)算流域進(jìn)行劃分，選取船體附近包含邊界層在內(nèi)的流域稱為近壁流域，其他流域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)流域，近壁流域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸為50 mm，對(duì)于首尾部曲度變化較大的位置的網(wǎng)格，采取加密處理，最大網(wǎng)格尺寸為30 mm；遠(yuǎn)場(chǎng)流域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為了控制網(wǎng)格數(shù)量[9].文中將遠(yuǎn)場(chǎng)流域分成了3層進(jìn)行逐層控制，由內(nèi)向外分別稱為遠(yuǎn)場(chǎng)流域I、遠(yuǎn)場(chǎng)流域 II和遠(yuǎn)場(chǎng)流域 III，網(wǎng)格密度由內(nèi)向外逐漸稀疏，最大網(wǎng)格尺寸分別為40，60和80 mm，各流域網(wǎng)格尺寸與網(wǎng)格數(shù)量見表2，流域整體網(wǎng)格圖見圖1，噴口網(wǎng)格局部放大圖見圖2.

表2 各流域網(wǎng)格尺寸與網(wǎng)格數(shù)量表

圖1 流域整體網(wǎng)格圖

圖2 噴口網(wǎng)格局部放大圖

由圖1可知，網(wǎng)格由內(nèi)向外逐漸變得稀疏，這樣有利于控制網(wǎng)格數(shù)量與網(wǎng)格質(zhì)量，從而提高數(shù)值計(jì)算的速度.由圖2可知，在噴口處橫向至少有2～3層網(wǎng)格，并且在船體附近的邊界層也有4～5層網(wǎng)格，查看邊界層中第一層網(wǎng)格間距，由y+可知，絕大多數(shù)處于20～50之間，滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求.

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 湍流模型及離散格式選擇

文中湍流模型選擇k-εRNG湍流模型，壁面條件選擇增強(qiáng)壁面條件，壓力與速度的耦合使用SIMPLE算法；控制方程使用基于單元中心的有限體積法(VOF)離散,其中動(dòng)量采用二階迎風(fēng)差分格式，湍流度與湍流耗散率采用一階迎風(fēng)格式.

2.2 邊界條件設(shè)置

2) 出口邊界 設(shè)置為壓力出口.

3) 船體表面 設(shè)置為無滑移的固壁.

4) 噴口 在噴水時(shí)設(shè)置為速度入口，不噴水時(shí)設(shè)置為固壁.

5) 頂部上邊界 設(shè)置為對(duì)稱面，文中采用的是疊模的思想，不考慮自由液面的影響，故可設(shè)置為對(duì)稱面.

6) 底部下邊界 設(shè)置為對(duì)稱面，考慮到水深足夠深，對(duì)流場(chǎng)影響不大.

7) 側(cè)邊界 設(shè)置為對(duì)稱面，距船體足夠遠(yuǎn)，對(duì)流場(chǎng)影響不大.

8) 中縱剖面 設(shè)置為對(duì)稱面，船體具有對(duì)稱性，本文中取一半船體進(jìn)行研究.

3 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析

3.1 裸船定常穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)數(shù)值模擬及結(jié)果分析

利用FLUENT對(duì)裸船定常穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.將所有噴口設(shè)置為固壁wall，在速度為1m/s的來流的作用下，對(duì)船體流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.計(jì)算得出船體壓差阻力為1.177N，摩擦阻力為4.888N.式(1)～(2)為實(shí)船-船模換算公式.

(1)

(2)

式中：ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；s為濕面積，取2.869 m2；Cf為摩擦阻力系數(shù).得到估算的摩擦阻力為4.873 N，數(shù)值計(jì)算得出的摩擦阻力與經(jīng)驗(yàn)公式得到的摩擦阻力相差0.31%，說明了數(shù)值模擬計(jì)算的可靠性，下文中關(guān)于減阻率的計(jì)算均將以該結(jié)果作為參考進(jìn)行對(duì)比.

3.2 最佳噴口面積與噴口位置選擇

根據(jù)噴口的排列組合，可以得到6種不同的工況:噴口1單獨(dú)噴水記作工況1；噴口2單獨(dú)噴水記作工況2；噴口3單獨(dú)噴水記作工況3；噴口1與噴口2同時(shí)噴水記作工況4；噴口2與噴口3同時(shí)噴水記作工況5；噴口1、噴口2與噴口3同時(shí)噴水記作工況6.利用FLUENT分別對(duì)以上6種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，來流速度仍然為1 m/s，噴口噴水的速度暫定為1 m/s來進(jìn)行研究，各工況的計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 來流速度與噴水速度均為1 m/s時(shí)，6種工況的數(shù)值模擬結(jié)果

1) 表3中的壓差阻力與摩擦阻力是通過數(shù)值計(jì)算得到的，表中各物理量的具體含義與計(jì)算公式如下：①壓差阻力Rp0為船體表面壓力沿船身積分所得；②反沖力RC為噴口噴出的流體對(duì)船體的沖量，RC=ρvi2si，vi為噴水速度，si為噴口面積；③噴口處壓力Ri為噴口處靜壓值沿噴口面積積分所得；④計(jì)算壓差阻力Rp為計(jì)入噴口處壓力以及噴射出的流體對(duì)船體影響后的壓差阻力，Rp=Rp0+RC+Ri；⑤摩擦阻力Rf為船體表面切向應(yīng)力沿船身積分所得；⑥總阻力Rt為船體受到的阻力總和，Rt=Rp+Rf；⑦減阻率μ為迎流噴水情況下船體總阻力與裸船總阻力的相對(duì)減少值；⑧單位面積減阻率為減阻率與噴水口面積的比值；⑨計(jì)算壓差減阻率為迎流噴水情況下船體計(jì)算壓差阻力與裸船計(jì)算壓差阻力的相對(duì)減少值；⑩摩擦減阻率為迎流噴水情況下船體摩擦阻力與裸船摩擦阻力的相對(duì)減少值.

作出各工況下總減阻率的柱狀圖、各工況下單位面積減阻率的柱狀圖、各工況下計(jì)算壓差減阻率的柱狀圖、各工況下摩擦減阻率的柱狀圖，見圖3.

圖3 6種工況下的各項(xiàng)減阻率

由圖3可知，工況4與工況6在各項(xiàng)減阻率中都是占優(yōu)的，故最佳的噴水工況應(yīng)該從這2個(gè)工況中選取.工況4的總減阻率與單位面積減阻率均高于工況6，說明工況4的整體減阻效率要高于工況6；工況4的壓差減阻率高于工況6，工況6的摩擦減阻率高于工況4，工況6的摩擦減阻率較好主要?dú)w因于其濕面積要小于工況4.為了更加清楚的解釋工況4與工況6哪個(gè)減阻效果更好，文中從船體表面的壓力分布圖著手進(jìn)行分析，中縱剖面處的船體表面壓力分布圖見圖4.

圖4 中縱剖面處船體表面壓力分布圖

由圖4可知，在噴水后首部的壓力有明顯的降低，證明首部迎流噴水是可以降低壓差阻力的，這也與計(jì)算結(jié)果符合；另外船體中后部壓力曲線幾乎重合，說明首部迎流噴水并不影響船體中后部的壓力分布；對(duì)于工況4與工況6的壓力分布曲線，兩條曲線相互交叉，工況6的壓力在0.1 m之前要小于工況4，在0.1～0.4 m的范圍內(nèi)，工況6的壓力有所增加高于工況4，甚至高于不噴水時(shí)對(duì)應(yīng)位置的壓力，總體而言工況4首部總壓力要低于工況6.鑒于本課題迎流噴水研究的物理意義是降低船體的壓差阻力，綜上原因，選取工況4為最佳噴水工況更具有研究?jī)r(jià)值.

3.3 噴水速度對(duì)減阻效率的影響規(guī)律

本節(jié)在最佳的噴水面積和噴水位置的基礎(chǔ)上繼續(xù)研究噴水速度對(duì)于船體減阻效率的影響規(guī)律.固定噴口1與噴口2噴水，噴水的速度為0.6，0.8，1.0，1.2與1.4 m/s這5個(gè)不同的速度，來流速度仍然為1 m/s，各速度下的減阻率曲線、節(jié)能率曲線、單位面積減阻率曲線、計(jì)算壓差減阻率曲線及摩擦減阻率曲線見圖5.

圖5 噴水速度變化時(shí)各項(xiàng)減阻率及節(jié)能率

首先觀察總減阻率曲線與單位面積減阻率曲線，兩者圖線趨勢(shì)相似，隨著噴水速度的增加，減阻率逐漸增加，但噴水速度增加到一定值時(shí)，減阻率趨于平緩，減阻效果不再增加，噴水速度為1，1.2，1.4 m/s時(shí)，減阻效果要好；從能量方面考慮，見節(jié)能率曲線圖，速度在1 m/s之前節(jié)能率變化很小，隨著速度的增加，船體的總功率增加，節(jié)能率逐漸減小，在速度達(dá)到1.4 m/s時(shí)節(jié)能率甚至達(dá)到了負(fù)值，所以從節(jié)能環(huán)保方面考慮0.6，0.8，1 m/s的噴水速度更佳；迎流噴水主要研究的物理量為計(jì)算壓差阻力，計(jì)算壓差減阻率隨噴水速度呈單峰曲線變化，并于1 m/s時(shí)處于壓差減阻率曲線的峰值.

從流場(chǎng)內(nèi)部船體表面壓力分布來進(jìn)行分析，分別作出水平剖面z=0.19 m(處于噴水口2范圍中)、水平剖面z=0.24 m(處于噴水口1范圍中)與船體的交線，作出以上2處位置在不同速度下的壓力分布曲線，2處壓力分布圖見圖6.

圖6 剖面處船體在各速度下壓力分布圖

從整體上觀察圖6～7，在噴水后首部的壓力有明顯的降低但是船體中后部壓力分布幾乎沒有變化；隨著噴水速度的增加，船體首部的壓力逐漸減小，說明增加噴水速度可以有效的降低壓差阻力；但是可以看出在船長(zhǎng)為0.2～0.6 m的范圍內(nèi)，速度為1.2 m/s與1.4 m/s時(shí)的壓力有所增加，削弱了減小壓差阻力的效果，說明了并非噴口噴水速度越大越好.綜上所述，當(dāng)噴水速度為1 m/s時(shí)，減阻效果最好并且也滿足節(jié)能環(huán)保的要求，故該速度為最佳的噴水速度.

圖7 首部速度矢量圖

最后分析摩擦減阻率，由圖5可知，隨著噴水速度的增加，摩擦減阻率逐漸增加，影響摩擦阻力的主要因素濕水面積并沒有發(fā)生變化，只有可能是隨著速度的增加，內(nèi)部的流場(chǎng)發(fā)生了變化，為此選取噴水速度為1.4 m/s，高度z為0.2 m時(shí)的水平剖面，并將首部速度矢量圖通過局部放大來進(jìn)行分析，見圖7.在噴口位置附近產(chǎn)生了渦，由此可以猜測(cè)摩擦阻力減小的原因可能是隨著速度的增大，渦的范圍增大，導(dǎo)致首部邊界層脫離船體，從而導(dǎo)致摩擦阻力有小幅的降低.

4 結(jié) 論

1) 首部迎流噴水可以降低首部壓力，從而降低壓差阻力，但是首部迎流噴水對(duì)于船體中后部的壓力分布影響較小.

2) 在噴口面積與噴口位置相同的情況下，在一定范圍內(nèi)，噴水的速度越大，減阻的效果越好；噴水速度超過該范圍后，繼續(xù)增大噴水速度，減阻率趨于平緩.

3) 在噴口面積與噴口位置相同時(shí)，在一定范圍內(nèi)，噴水速度增大，節(jié)能率變化很小；當(dāng)噴水速度超過該范圍后，節(jié)能率急劇下降，繼續(xù)增大噴水速度，會(huì)增加能源的消耗，導(dǎo)致節(jié)能率為負(fù)值.

4) 在噴口面積與噴口位置相同的情況下，隨著噴水速度的增加，計(jì)算壓差減阻率先增加后減小，存在一個(gè)最佳的計(jì)算壓差減阻率峰值點(diǎn).

5) 在噴口面積與噴口位置相同的情況下，隨著噴水速度的增加，摩擦減阻率有小幅的增長(zhǎng)，推測(cè)的原因是噴水速度增大導(dǎo)致首部產(chǎn)生渦，在渦的作用下使得邊界層脫離船體，從而導(dǎo)致摩擦阻力有小幅降低.

文中的目的是探討實(shí)際船型應(yīng)用迎流噴水新減阻技術(shù)的可行性，因此沒有考慮自由水面的存在，而船舶在實(shí)際的航行中會(huì)受到自由水面的影響，在考慮自由水面后，對(duì)迎流噴水新減阻技術(shù)會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響還需要進(jìn)一步的探索和研究.

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Numerical Simulation of Jetting Water Against the Flow in a 20 000 DWT River-sea Bulk Carrier for Resistance Reduction

YANG Chao XIONG Aokui

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

In this paper, the method of reducing resistance by jetting water against the flow is applied in bulk carriers. 20 000 DWT river-sea bulk carrier is taken as the study object and FLUENT is used to do numerical simulation. The influences of different nozzle area, nozzle position and jetting-water velocity on the efficiency of resistance reduction and the performance of the ship are analyzed to look for the best method of reducing resistance by jetting water against the flow, thus promoting development of the technology.

20 000 DWT river-sea bulk carrier; resistance reduction by jetting water against the flow; numerical simulation

2016-11-21

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(2014BAG04B01)

U661.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.025

楊超(1992—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榱黧w力學(xué)