基于CFD的無壓載水船型淺水中岸壁效應(yīng)數(shù)值模擬

洪碧光，王鵬暉，張秀鳳，于洋

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

基于CFD的無壓載水船型淺水中岸壁效應(yīng)數(shù)值模擬

洪碧光，王鵬暉，張秀鳳，于洋

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

基于貫通流系統(tǒng)設(shè)計無壓載水船型，在保證無壓載水化的基礎(chǔ)上，分析其操縱性相關(guān)的水動力特性，以系列60船型改造后的新船型作為研究對象，基于CFD方法，選用混合網(wǎng)格和SSTk-ω湍流模型對船舶淺水航行的岸壁效應(yīng)問題進(jìn)行數(shù)值模擬，利用粘性流對疊模求解。為驗證網(wǎng)格劃分和數(shù)值方法的合理性，對系列60船型進(jìn)行數(shù)值模擬，將計算結(jié)果與他人計算結(jié)果進(jìn)行比較，基本吻合。對新船型進(jìn)行數(shù)值模擬，計算出其在淺水中不同岸壁距離以及不同航速下的阻力、橫向力和轉(zhuǎn)艏力矩，與系列60船型的計算結(jié)果進(jìn)行比較，分析結(jié)果表明，新船型弱化了淺水中的岸壁效應(yīng)，優(yōu)化了水動力性能。

無壓載水船；貫通流系統(tǒng)；岸壁效應(yīng)；數(shù)值模擬

為了有效控制船舶壓載水帶來的污染問題，國際海事組織(IMO)于2004年通過了《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》[1]。《公約》規(guī)定，截止2016年底，未安裝合格的壓載水處理設(shè)備的船舶將不得駛?cè)雵H海事組織成員國港口。在此背景下，科研人員引入了一種“無壓載水船”的概念，在船界引發(fā)了一股新的研究熱潮。目前，全球主流的無壓載水船型僅3種，分別是：美國的貫通流系統(tǒng)[2](though flow system)、荷蘭的單一結(jié)構(gòu)船身[3](monomaran hull)以及日本的V型船身設(shè)計(V-shaped hull)。這些船型具有較高實(shí)用價值，但是依舊存在較多弊端。截止目前，針對無壓載水船型操縱性相關(guān)的研究也甚少。總體而言，船舶無壓載水化設(shè)計是一門系統(tǒng)工程，在保證船舶無壓載水化的基礎(chǔ)上，除了需要保證克服上述船型自身的種種弊端以外，還需要對操縱性相關(guān)的水動力特性進(jìn)行分析。

隨著船舶尺度日趨大型化，在受限水域中，由于岸壁和淺底的影響，使得船舶水動力和水動力矩的變化更加復(fù)雜，操縱也更加困難。本文就是在克服上述各種無壓載水船型弊端的前提下，基于CFD方法，將系列60船型改造后的新船型[4]作為研究對象，建立三維數(shù)值模擬區(qū)域，采用混合網(wǎng)格和SSTk-ω湍流模型，并結(jié)合粘性流和疊模法[5]，對新船型淺水航行的岸壁效應(yīng)問題進(jìn)行數(shù)值模擬。通過模擬出不同工況的流場，從而計算出不同工況下新船型的阻力、橫向力和轉(zhuǎn)艏力矩數(shù)據(jù)，并將其與系列60船型計算結(jié)果進(jìn)行比較。最終，分析出新船型在淺水岸壁效應(yīng)影響下的水動力特性是否得到了優(yōu)化。

1 無壓載水船新思路

美國貫通流系統(tǒng)，將船舶的封閉式改為前后開放式，在艏艉水線下分別設(shè)進(jìn)、排水口，海水從船艏進(jìn)口涌入，船艉排水口排出，見圖1。

該設(shè)計既可起到壓載艙的作用，又可減輕船舶負(fù)荷。貫通流系統(tǒng)的管路內(nèi)流通的始終是當(dāng)?shù)睾Ｓ蚝Ｋ螴MO中海洋環(huán)境保護(hù)的宗旨。設(shè)計思路集合了貫通流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，對管路結(jié)構(gòu)與走向進(jìn)行了改造。該設(shè)計方案[6]的內(nèi)容主要包括以下幾部分。

1)將上部兩條縱向管路設(shè)計為微弧形，下部縱向管路和3條橫向管路設(shè)計為直線形，所有管路均處于壓載水線以下位置，見圖2。

2)3條縱向管路的前后管口處安裝有6個傳感器控制閥門，用于控制海水流進(jìn)與排出；3條橫向管路與底部縱向管路間的連接部位安裝3個壓力傳感器，用于實(shí)現(xiàn)壓載量的定量化，見圖3。

3)3條縱向管路均設(shè)有內(nèi)外雙層管壁，既增強(qiáng)了管路強(qiáng)度，又讓管路處于可收縮狀態(tài)，以調(diào)整管路內(nèi)海水流通量，實(shí)現(xiàn)不同裝載狀態(tài)間壓載量的切換。針對管路的收縮，采用雙層管壁間的空氣填充壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)管徑的切換，見圖4。

4)縱向管路均分為前后兩大部分，用以實(shí)現(xiàn)對船舶浮態(tài)的調(diào)整。對于橫傾狀態(tài)的調(diào)整，通過控制左右2條縱向管路進(jìn)行不同程度的開放，實(shí)現(xiàn)2條管路間海水流通量差即可。對于縱傾狀態(tài)的調(diào)整，通過控制縱向管路前后兩部分不同程度的開放，讓前后部分出現(xiàn)不同海水流通量，實(shí)現(xiàn)管路進(jìn)出口處的壓力差即可。

2 數(shù)值算法

將限制水域下流場中的船舶采用量鋼一的綱化的方式進(jìn)行計算，結(jié)合工程應(yīng)用，針對不可壓縮的N-S方程，采用雷諾平均方法[7](RANS)進(jìn)行數(shù)值模擬，流場中連續(xù)方程和動量方程[8]分別為

(1)

(2)

同時，湍流模型的選取為RANS方法中的關(guān)鍵點(diǎn)，能否正確選用對于計算精度的影響很大。結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗，本文數(shù)值模擬采用有限體積法對微分方程進(jìn)行非線性化離散，利用SIMPLEC算法[9]進(jìn)行迭代求解。動量方程中對流項和擴(kuò)散項的離散均采用二階迎風(fēng)差分算法,瞬態(tài)項采用二階隱式差分算法。為了保證在近壁區(qū)域和遠(yuǎn)場區(qū)域都有很高的預(yù)測精度，湍流方程選用了k-ω方法下的SST格式[10]對ω輸運(yùn)方程中的交叉擴(kuò)散項和混合函數(shù)進(jìn)行修正。

3 新船型數(shù)值模擬

3.1 計算模型

選用系列60船型(方形系數(shù)Cb=0.6)作為母船型，見圖5，其主尺度參數(shù)見表1。新船型在其基礎(chǔ)上，僅對管路部分進(jìn)行改造：上側(cè)兩條縱向管路半徑取2.0 m，下側(cè)縱向管路和3條橫向管路半徑取1.5 m。

類型型長L/m型寬B/m型深D/m吃水d/m縮尺比船模4.6890.61540.36920.246126實(shí)船122169.66.4

3.2 計算域設(shè)置

選用長方體計算域，船艉垂線與設(shè)計水線面的交點(diǎn)設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)，船艏方向為X軸正方向，左舷方向為Y軸正方向，水線面上方為Z軸正方向。計算域總長為6倍船長，其左側(cè)設(shè)置為岸壁，不同工況下船舶中心線距岸壁的距離分別為η=1B,2B,3B,5B,船舶中心線距右側(cè)岸壁的距離為1倍船長，水深設(shè)定為1.5d。為保證計算域中進(jìn)、出口處流動始終處于定常狀態(tài)，將船艏前1.5L處設(shè)置為入口，將船艉后3.5L處設(shè)置為出口。

計算域中邊界條件：入口設(shè)置為velocity-inlet；出口設(shè)置為outflow；自由液面設(shè)置為symmetry；其余各面均設(shè)置為wall。同時，將計算域劃分為內(nèi)、外2部分：船舶艏艉水平線與中心線2側(cè)各1B范圍內(nèi)的小長方體流域劃分為內(nèi)域，其余部分劃分為外域，見圖6。

3.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是CFD方法的關(guān)鍵點(diǎn)，網(wǎng)格數(shù)量影響計算速度，網(wǎng)格質(zhì)量影響計算精度。為保證計算精度和效率，在網(wǎng)格的劃分上，采用混合網(wǎng)格的方式。將船體周圍結(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)域，采用帶有邊界層的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。經(jīng)過對網(wǎng)格參數(shù)的多次調(diào)整，最終為船體和管路表面設(shè)有10層邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格高度設(shè)為0.001 m,增長率設(shè)為1.2；將結(jié)構(gòu)簡單的外域，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。船體周圍非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格加密區(qū)見圖7，計算域整體網(wǎng)格劃分見圖8。

在水深為1.5倍吃水的淺水域中，針對新船型進(jìn)行數(shù)值模擬的航行工況如下。

1)船速V=0.5 m/s，以岸壁位于船體左側(cè)為例，船舶中心線與岸壁的距離η=1B、2B、3B、5B4種工況。

2)當(dāng)岸壁距離η=1B時，船速V=0.2 m/s,0.5 m/s,1 m/s,1.5 m/s(弗勞德數(shù)Fr=0.029，0.074，0.147，0.221)4種工況。

3.4 數(shù)值算法與網(wǎng)格劃分方法的結(jié)果驗證

為驗證數(shù)值算法與網(wǎng)格劃分方法的計算精度，將其應(yīng)用于以往研究者探究過的工況下進(jìn)行數(shù)值模擬。計算船舶在淺水(水深為1.5d)中以速度V=0.5 m/s航行，船舶中心線距岸壁距離分別為1B、2B、3B、5B，4種工況下所受到的阻力系數(shù)Cx，橫向力系數(shù)Cy和轉(zhuǎn)艏力矩系數(shù)Cm。最終，將他人的計算結(jié)果作為參考值[11]與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行比較，見圖9。

由圖9可見，本文采用的SSTk-ω湍流模型和SIMPLEC算法所得到的數(shù)值計算結(jié)果，包括阻力系數(shù)、橫向力系數(shù)和轉(zhuǎn)艏力矩系數(shù)，隨岸壁距離的變化趨勢與參考值基本一致。從誤差中來看，計算結(jié)果存在一定偏差，但是考慮到船型差異和網(wǎng)格處理方法的不同，上述誤差是屬于可接受范圍內(nèi)的。

4 數(shù)值計算結(jié)果及分析

4.1 阻力數(shù)據(jù)

阻力數(shù)據(jù)是船舶快速性的重要參考指標(biāo)。考慮到船舶近岸航行期間需要保持較低航速，興波阻力較小，因此本文基于上述數(shù)值算法和網(wǎng)格劃分方法，采用疊模法對不同岸壁距離下模型尺度的新母船型阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的阻力數(shù)據(jù)見表2～4。

表2 不同岸壁距離下新母船型阻力系數(shù)比較(Fr=0.074)

注：母船型濕表面積S=2.544 m2；新船型濕表面積S=3.589 m2。

表3 不同岸壁距離下新母船型阻力(Fr=0.074)

表4 不同岸壁距離下新船型阻力分類(Fr=0.074)

通過新船型阻力值與阻力系數(shù)的比較，可以看出，在淺水岸壁效應(yīng)的影響下，新船型的總阻力值較母船型有稍微的增加，增加的平均比例占母船總阻力值的3.77%。但是新船型的濕表面積較母船型有大幅的增加，導(dǎo)致新船型阻力系數(shù)較母船型降低平均比例達(dá)28.16%。

4.2 橫向力與轉(zhuǎn)艏力矩數(shù)據(jù)

橫向力和轉(zhuǎn)艏力矩數(shù)據(jù)是對船舶橫移量的重要參考指標(biāo)，是對岸壁效應(yīng)影響程度的直觀體現(xiàn)。本文在8個不同工況下進(jìn)行的數(shù)值模擬試驗，所得到的橫向力和轉(zhuǎn)艏力矩數(shù)據(jù)見表5～12。

表5 不同岸壁距離下新母船型橫向力系數(shù)比較(Fr=0.074)

由表5和表6可見，在不同岸壁距離下，新船型所受橫向力和橫向力系數(shù)較母船型降低的平均

表6 不同岸壁距離下新母船型橫向力比較(Fr=0.074)

比例分別為30.39%和29.98%。同時，隨著岸壁距離的增大，新船型所受橫向力較母船型的降低比例也大幅增加，在淺水中岸壁效應(yīng)較母船型弱化得也更加明顯。這表明新船型在淺水岸壁效應(yīng)下的“安全距離”會大大小于母船型。

表7 不同航速下新母船型橫向力系數(shù)比較(η=1B)

表8 不同航速下新母船型橫向力比較(η=1B)

從表7和表8中也可看出，新船型弱化了母船型在淺水中的岸壁效應(yīng)。在距離岸壁1B的4個不同航速下，新船型所受橫向力和橫向力系數(shù)與母船型相比，降低的平均比例分別為9.79%和6.92%。

表9 不同岸壁距離下新船型轉(zhuǎn)艏力矩(Fr=0.074)

表10 不同岸壁距離下新母船型轉(zhuǎn)艏力矩比較(Fr=0.074)

由表9和表11可見，在不同岸壁距離和不同航速的8種工況下，新船型的船體轉(zhuǎn)艏力矩較母船型都有一定程度的降低，降低的平均比例為15.70%。從圖10中可看出，新船型的總轉(zhuǎn)艏力矩系數(shù)較母船型也存在一定程度的降低。但是從表10和表12中可看出，由于船體內(nèi)部管路的配置，使得新船型的總轉(zhuǎn)艏力矩與母船型基本持平。

表11 不同航速下新船型轉(zhuǎn)艏力矩(η=1B)

表12 不同航速下新母船型轉(zhuǎn)艏力矩比較(η=1B)

4.3 結(jié)果分析

自由液面的速度和壓力分布圖可以清晰地反映出航行狀態(tài)下船舶周圍流場的分布情況。同時，船體表面壓力分布圖則是周圍流場對船舶航行狀態(tài)影響程度的直觀體現(xiàn)，見圖11～圖14。

從圖11中可看出，在船艉前，新母船型周圍水面速度分布情況基本一致，但是在船艉后，新船型周圍流態(tài)分布比母船型恢復(fù)得則更快。

由圖12可見，在距離岸壁1B時，新船型船底兩側(cè)的壓力差明顯小于母船型。從圖13和圖14中又可以看出，在距離岸壁1B時，新船型靠近岸壁一舷(左舷)的壓力分布明顯小于母船型，而另一舷(右舷)的壓力分布與母船型基本一致。這些現(xiàn)象都充分表明，新船型在淺水中受到岸壁效應(yīng)的影響比母船型更弱。

5 結(jié)論

1)新船型在距離岸壁2倍船寬以內(nèi)的區(qū)域，都屬于岸壁效應(yīng)下的航行“危險區(qū)”，但是隨著距岸壁距離的增加，新船型所受橫向力較母船型降低的幅度也大大增加，這表明新船型在淺水岸壁效應(yīng)下的“安全距離”會明顯小于母船型。

2)在距離岸壁2倍船寬的前提下，隨著航速的提高，新船型所受橫向力的變化趨勢基本一致，新船型所受橫向力較母船型降低幅度也基本不變。這表明在任何航速下，新船型所受淺水岸壁效應(yīng)的影響較母船型都會有所減弱。同時，在近岸航行期間，新船型的“安全航速”較母船型也會有所提高。

3)近岸航行期間，船舶以較低航速航行，興波阻力較小。因此，本文在忽略興波阻力的前提下，選用疊模法進(jìn)行數(shù)值模擬，既保證了計算精度，又提高了計算效率。

4)采用的SSTk-ω湍流模型，既對新船型船體和管路的近壁面區(qū)域進(jìn)行了較高精度的計算，也對船體周圍流場細(xì)節(jié)進(jìn)行了更高精度的捕捉。

5)本思路的研究并未放開6自由度進(jìn)行數(shù)值模擬，分析新船型在粘性流場中6自由度的運(yùn)動將作為下一步研究重點(diǎn)。

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Numerical Simulation of Wall Effect for Ballast-free Ship in Shallow Water Based on CFD

HONG Bi-guang, WANG Peng-hui, ZHANG Xiu-feng, YU Yang

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

A ballast-free ship type was designed based on though flow system. On the basis of ballast-free, its hydrodynamic behavior about maneuverability was studied. The new ship transformed by series 60 ship was taken as an example, the CFD numerical simulation of wall effect in shallow water was carried out by using hybrid grid and SST turbulence model. To test the validity of the grid generation and numerical analysis method, the simulation of series 60 was carried out, and the result was in good agreement with other numerical results. The numerical simulation of new ship was carried out, and the resistance, lateral force and yaw torque data of series 60 and new ship in different distance to bank and different velocity were compared and analyzed. The result showed that new ship reduces the wall effect in shallow water and optimizes hydrodynamic performance.

ballast-free ship; though flow system; wall effect; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.002

2016-09-07

國家自然科學(xué)基金(51379026)；河北省海事局科研項目(2015Z0541)

洪碧光(1955—)，男，碩士，教授

U661.33

A

1671-7953(2017)02-0006-06

修回日期：2016-10-14

研究方向:船舶操縱性