水面艦船可調型球艏設計與分析

張文山，盧曉平

(海軍工程大學 艦船工程系，武漢 430033)

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水面艦船可調型球艏設計與分析

張文山，盧曉平

(海軍工程大學 艦船工程系，武漢 430033)

考慮到固定式球艏對船舶減阻能力隨航速變化敏感，為了避免固定式球艏在兼顧多個航速下減阻的局限性，提出可調型球艏設計思路，依托CFD軟件STAR-CCM數值模擬對可調型球艏設計方案構想進行理論驗證，根據阻力對比和優化確定球艏靜態參數，根據波形計算和比較確定球艏動態參數。通過靜態參數的建立和動態參數的預報，將可調型設計方案具體化。計算結果顯示，可調型球艏能夠實現低速階段不增速，中高速階段減阻顯著的目標。

可調型球艏；DTMB5415船型；球艏構型參數；興波阻力；波形分析

球艏減阻研究一直是船舶水動力研究的熱點，模型試驗和數值計算均表明球艏對于減小船舶興波阻力的潛力巨大，設計優良的球鼻艏具有較好的減阻效果，能夠很好地改善船舶運營的經濟性。球艏研究一般著眼于球艏構型的優化[1-2]，基于數值計算的球艏阻力性能預報[3]和基于船型試驗的波形測量分析等方面，目前多是針對固定式球艏。但傳統固定式球艏在兼顧多個航速條件下減阻具有一定的局限性，低速條件下甚至會增大船舶阻力，由此引入可調型球艏的提法。可調型球艏設計旨在通過對球艏縱向位置進行調整，來實現多個航速下較好的減阻效果的目的，而克服固定式球艏減阻速度區間和減阻幅度受限的不足。本文即采用CFD數值模擬手段，以現有固定式球艏研究成果為基礎，開展球艏構型參數對于水面艦船阻力性能影響和機理的分析，基于前伸型球艏的減阻優勢，提出以建立合理靜態參數為基礎，調節動態參數為手段的可調型球艏設計方案。

1 可調型球艏設計方法

可調型球艏(見圖1)的設計依據興波阻力的產生和削減的特點，以球艏減小興波阻力的機理為基礎，即一定強度的球艏波與船體波因相位差異而相互消減。設計方案強調“低速階段不增阻，中高速階段減阻顯著”的原則，通過球艏參數化建模的過程，將球艏構型參數劃分為靜態參數和靜態參數。

圖1 可調型球艏結構示意

球艏參數的設置與主船體構型密切相關，一般會明顯影響球艏減阻性能的參數有球艏在船體坐標系中的空間位置、球艏的尺寸、形狀和體積分布，球艏與船體的連接方式與參數間的合理配置也十分重要。考慮到可調型球艏具有大前伸的構型，需要通過球艏參數化建模統一球艏加裝的標準。

可調型球艏的靜態參數選取標準為應能夠準確地描述球艏端部部分的幾何尺寸、幾何形狀和橫截面A的形狀。球艏靜態參數的選擇是可調型減阻球艏設計的基礎[4]。為簡化流程，球艏選為圓球艏，球艏半徑為球艏靜態參數。通過阻力計算建立球艏靜態參數。

在兼顧減阻效果的需要和球艏可調方案實施的可行性情況下，動態參數選為球艏前伸量(縱向位置)。球艏縱向位置范圍的取為5%船長。

如圖1所示，在球艏進行可調型變化過程中，靜態參數不變。動態參數可根據實際需要進行實時變化，動態參數值需要在球艏設計時求得。動態參數預報的方法是在靜態參數滿足了必要的波幅強度以及不考慮球艏興波和船體興波相互干擾的條件下，調節球艏縱向位置使2組興波的相位差能夠盡量滿足峰谷相遇的理想狀態，由此實現球艏消波減阻功能。

2 參數化建模與阻力計算

2.1 球艏構型參數化設計

船體主尺度比和型線變化對船體所受的興波阻力產生影響較為敏感，故而在衍生構建球艏構型時，應該有統一的幾何尺度標準，安裝位置規范統一，以保證模型規范且簡便易行。

在進行球艏構型建模時，球艏對阻力特性影響較大的主要幾何參數和要素概括如下。

1)球艏縱向位置。指球艏在船體坐標系中的具體位置，通過球艏前伸量控制。

2)垂向位置。指球艏中心軸線距水線面的垂向距離，本文選取原則為球艏下邊緣與船體底部延長線相切[5]。

3)球艏半徑或尺寸。球艏端部半徑。

4)球艏與主船體連接方式。球艏與船體間有光順圓柱貫穿式連接。

一般而言，橫截面面積和球艏長度決定了球艏體積的相對大小[6]，在長度一定的情況下，橫截面面積能夠影響球艏波的強度，而長度主要是影響球艏波的相位。故而在減阻球艏參數設置的研究方面，應當重點考慮影響球艏波強度的球艏半徑和影響球艏波初相位的球艏縱向位置的減阻特征。

2.2 阻力計算

對計算船型按工程應用中處理高速水面艦船興波阻力系數最常用的傅汝德方法，采用剩余阻力作為興波阻力的表征，認為二者近似相等。

(1)

式中：Cw為興波阻力系數；Cr為剩余阻力系數。

阻力系數采用工程中常用的定義，即

(2)

式中：Rw為興波阻力；Rr為剩余阻力；ρ為水密度；υ為流體運動粘度；S為模型濕表面積。

3 可調型球艏參數確定

可調型球艏設計方案示例圍繞標準船模DTMB5415展開，該船模長5.72 m、寬0.76 m，吃水0.248 m，其母型為美國現役阿里·伯克級驅逐艦，模型縮尺比24.825。在利用建模軟件構建出DTMB5415原型之后，衍生和構建出一系列改型球艏模型，并利用建模軟件生成相應的船型[7]。

3.1 模型建立

[4]，通過Matlab編程最終得出理論最佳圓球艏半徑，如圖2所示。圖2中最佳球艏半徑系按巡航速度確定數值[8]，球艏前伸量(縱向位置)結合以往研究結果、建造工藝和目標船型使用特性確定[9-10]，為獨立輸入參數。

圖2 DTMB5415最佳球艏半徑

在進行球艏參數選型時，構建的幾組改型球艏需在削去聲吶導流罩的基礎上加裝，如圖3所示，加裝以后如圖4所示。幾組衍生的改型球艏半徑見表1。

圖3 計算模型DTMB5415G

圖4 計算模型DTMB5415改型

3.2 靜態參數建立

可調型球艏的可調機制基于球艏靜態參數的合理設置。球艏靜態參數影響球艏橫截面面積及其在垂向和橫向2個方向的面積分布。

對比不同半徑圓球艏對阻力的影響見圖5、圖6，其中圓球艏的縱向伸長量相同[11]。

表1 改型球艏半徑

DTMB5415 exp.為試驗值，DTMB5415 cal.為數值計算值圖5 改型和母型總阻力系數對比

圖6 改型和母型剩余阻力系數對比

對比原型和改型的阻力曲線，顯然，隨著球艏半徑變小而引起的減阻效果變化明顯。綜合分析低速和中高速階段的減阻效果，得出改型DTMB5415 13船型得減阻效果最好。同時滿足多個航速條件的最佳球艏半徑取值范圍為r=0.075～0.095 m。

在給定航速條件下，不同球艏靜態參數會引起球艏興波波幅的差異。其中球艏興波的波長與航速有關，球艏波形相位的不同是由于球艏縱向位置有關。在給定航速條件下，不同球艏靜態參數會引起球艏興波波幅的差異。對改型DTMB5415 13球艏的端部部分單獨建模，對不同速度條件下的首部波形進行數值計算，見圖6。選取速度分別為v1=2.079 m/s(對應母型船Fr=0.28)，v2=2.395 m/s(對應母型船Fr=0.32)和v3=3.071 m/s(對應母型船Fr=0.41)。

圖7 獨立球艏14B在3個速度條件下的興波比較

獨立球艏14B在不同速度條件下的興波比較見圖7。圖7表明，球艏形成的表面自由波中橫波的波長與在水中的航速相關。在不排除數值計算存在壞點的情況下，對球艏興波波長進行預估。v1=2.079 m/s時，球艏興波的波長約為1.5 m；v2=2.395 m/s時，波長為2.0 m；v3=3.071 m/s時，波長為3.0 m。波長隨著速度的增加呈增長趨勢。

3.3 動態參數預報

選取前述減阻效果較好的球艏構型DTMB5415 13作為動態參數預報的基礎。球艏縱向位置的調節范圍取為船長的5%，故而球艏的縱向坐標取值范圍為[2.860 m,3.146 m]。為便于觀察和操作，波形對比選用的坐標系為球艏坐標系，球艏中心處的縱坐標值為0，該坐標系與船體坐標系橫坐標軸重合，豎坐標坐標軸平行。球艏的垂向位置選取原則與前文一致，即位置靠下的球艏水平切面的與船底相切。

對球艏和船首的興波應用小振幅波假設，通過余弦函數對船體興波和球艏興波進行表達，建立隨船坐標系，將船體波面方程簡化寫作

(1)

式中：A為波幅；ε為相位角；k(k=U2/g，其中:U為波速)為波數。

球艏在船體之前，二者之間的縱向距離相隔l，理論上假設2個干擾源引起的表面自由波波幅強度近似一致，波長相等，但相位相差剛好整個半波長。球艏波的波面方程表達為

(2)

二者疊加后波面方程表達為

(3)

由和差化積公式可得

(4)

由此得到合成波系的最大波幅為

(5)

其中，波數k跟船舶在水中的航速有關，故合成波系只與球艏和船體縱向距離l以及船舶航速有關。在航速一定時，球艏的縱向位置決定了合成波系的波幅。球艏初始距離，即初始伸長量為l0，可調范圍為[0,Δlmax]，在實際調節過程中的伸長量為Δl，則有

(6)

能夠實現合成波系最佳消波的條件在理論上需要同時滿足

(7)

計算得到速度v1條件下的最佳Δl1=0 m，速度v2條件的最佳Δl2=0.10 m，速度v3條件的最佳Δl3=0.06 m,據此對主船體位置進行平移，由于13B球艏的波幅較小，引入等波長的球艏11B，對比見圖8。

圖8 球艏波形與船體波形對比

由圖8和以上分析可見，在實際設計過程中，因為有可調范圍的限制，并不能完全實現滿足船首波與球艏波的恰好相消。產生這種問題的主要原因如下。

1)受限于球艏的結構特征，動態參數的調節很難實現球艏波形與主船體波形充分相消。同時，據各類優化方法和手段對靜態參數的優化，很難實現靜態參數最優。

2)隨船舶航速發生變化，球艏興波波長相應改變，但波長和波長變化的量級尺度較大，相對而言尺度較小的動態參數(縱向位置)可調范圍難以適應球艏與主船體波形相位差的變化，可調范圍難以滿足需要。

3)動態參數(縱向位置)變化的減阻效果的論證和預報較為復雜，難以獲得精度很高的結果，模型試驗條件，數值模擬計算和理論分析計算的精度都難以保證，減阻和消波效果難以精確評判。

4 結論

利用球艏與船體波形疊加相消的減阻原理，提出了縱向可調型球艏設計思路，以適用于大排水量球艏船型的減阻研究，具有一定的理論意義和應用前景。不同于以往的研究，可調型球艏方案不局限于固定式球艏的減阻構型優化，而從球艏減阻機理入手，靈活地改善球艏減阻特性。但由于波長隨航速變化尺度大于可調球艏調節范圍尺度，可調球艏船型方案具有一定的局限性。但這并不影響可調型球艏為改善固定式球艏減阻效果提供可行性方案。后續的研究中建議增加相應的模型試驗，通過對比進行驗證分析。

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Investigation of Adjustable Bulbous Bow on Waving-making Resistance of Surface-ship

ZHANG Wen-shan, LU Xiao-ping

(Dept. of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Because of the sensibility of stationary bow for resistance reducing with the speed change, a design scheme of adjustable bulbous bow was proposed to overcome the shortness of resistance reducing for different speeds. It was certified by numerical simulation utilizing CFD software STAR-CCM, and all of the parameters concerning to adjustable design were split up into static parameters and dynamic ones. Through setting the static parameters and predicting the dynamic parameters, the scheme of adjustable bulbous bow was materialized, and the design can achieve the preset goal with no adverse effect in low speed and remarkable effect of resistance reduction in medium and high speed.

adjustable bulbous bow; DTMB5415; configuration parameters; wave resistance; flow analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.004

2016-10-31

國家自然科學基金項目(51609253)

張文山(1991—)，男，碩士生

研究方向：艦船流體動力性能

U662

A

1671-7953(2017)04-0015-05

修回日期：2016-11-25