基于減小阻力的油船最佳縱傾數(shù)值計(jì)算研究*

張 晶 程細(xì)得 馮佰威

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

基于減小阻力的油船最佳縱傾數(shù)值計(jì)算研究*

張 晶1,2)程細(xì)得1,2)馮佰威1,2)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (武漢理工大學(xué)高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)武漢 430063)

航行中船舶的航速改變時(shí)，通過調(diào)整縱傾可以使船舶受到的阻力總是維持在最小，有利于提升船舶節(jié)能減排成效.文中采用數(shù)值計(jì)算方法研究載重量46 000 t油船不同航速時(shí)的阻力隨縱傾值的變化規(guī)律，并進(jìn)行回歸分析.采用RANS方程及有限體積法(FVM)，數(shù)值計(jì)算了油船在平浮狀態(tài)下的阻力值，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證.然后計(jì)算不同航速、縱傾下的油船阻力，分析其縱傾變化對船模阻力的影響.在此基礎(chǔ)上，提出油船在不同縱傾及航速下總阻力值的回歸公式，對實(shí)際油船航行縱傾調(diào)整具有指導(dǎo)意義.

數(shù)值計(jì)算；模型試驗(yàn)；變縱傾；船模阻力

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶工業(yè)CO2排放量占全球排放量的3%，NOx排放量占全球排放量的14%～15%，SOx排放量占全球排放量的16%[1].對于已運(yùn)營的船舶來說，考慮到經(jīng)濟(jì)性，一般難以通過修改船型的方法來達(dá)到減小阻力的目的，需要從營運(yùn)過程中尋求減阻方法.最佳縱傾是IMO推薦的船舶節(jié)能減排技術(shù)手段之一.在國外，Bertram[2]提出一種基于縱傾優(yōu)化的減小船舶能耗的方法；Andreas[3]論述了縱傾優(yōu)化對船舶能效的影響；Larsen[4]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法研究了縱傾對船舶阻力的影響；Iakovatos[5]對六個(gè)船模分別進(jìn)行拖曳水池阻力試驗(yàn)，研究不同縱傾角度對這六個(gè)船模的阻力性能的影響，發(fā)現(xiàn)船模在各個(gè)工況、航速下總對應(yīng)一個(gè)使阻力達(dá)到最小的最佳縱傾值.Sherbaz[6]采用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算了KCS標(biāo)準(zhǔn)集裝箱船在設(shè)計(jì)吃水、Fr=0.227時(shí)不同縱傾值對應(yīng)的阻力值，并找出了使阻力最小的最佳縱傾值.胡仲根等[7]提出船舶最佳縱傾的數(shù)學(xué)模型；孟憲欽等[8]對運(yùn)營中的大型遠(yuǎn)洋貨船按不同裝載量進(jìn)行了20多種組合方案的首尾不同吃水狀態(tài)下的船模阻力及自航試驗(yàn)，得出各種排水量下的最佳縱傾值，制成圖譜后供實(shí)船進(jìn)行配載航運(yùn)，取得明顯的節(jié)能效果；楊佑宗等[9]對七萬噸級散貨輪進(jìn)行五種吃水狀態(tài)、每種吃水狀態(tài)對應(yīng)5～6種變化縱傾共計(jì)27個(gè)方案的阻力及自航的系列模型試驗(yàn)，研究表明采用正確的縱傾值對獲得良好的阻力及推進(jìn)性能十分有效；Xu[10]采用基于速度勢的面元法數(shù)值計(jì)算Wigley船舶變縱傾的阻力值，得到最佳縱傾值.

研究表明，排除水深影響因素外，不同線型的船舶在其不同吃水工況下、不同的航速下均有一個(gè)明確的最佳浮態(tài)與其對應(yīng).這也使得研究基于阻力的縱傾優(yōu)化變得尤為重要.本文采用RANS方程及有限體積法(FVM)，數(shù)值計(jì)算了載重量46 000 t油船在設(shè)計(jì)吃水、不同航速時(shí)不同縱傾值對應(yīng)的阻力值，找出使阻力最小的最佳縱傾值，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式回歸，得到設(shè)計(jì)吃水下阻力隨航速縱傾變化的回歸公式.

1 控制方程和湍流模型

本文采用船舶水動力學(xué)軟件SHIPFLOW進(jìn)行船模阻力計(jì)算.其中，采用勢流理論計(jì)算興波阻力，又通過求解定常的RANS方程得到粘性阻力.對于三維不可壓縮的粘性流體，其基本控制方程為動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，即

(i,j=1,2,3)

(1)

(2)

式中：ui，uj為速度分量；xi，xj為空間坐標(biāo)分量；t為時(shí)間；ρ為流體密度；p為壓力；ν為運(yùn)動粘度；Fi為外部體積力分量.

湍流數(shù)值模擬方法采用雷諾平均法，把湍流運(yùn)動看作由平均時(shí)間流動和瞬時(shí)脈動流動疊加而成，于是可以得到時(shí)均的雷諾平均N-S方程和連續(xù)性方程

(i,j=1,2,3)

(3)

(4)

本文數(shù)值計(jì)算的湍流模型選用顯示代數(shù)應(yīng)力模型(EASM).采用有限體積法(FVM)對計(jì)算域進(jìn)行離散，用二階迎風(fēng)Roe格式離散對流項(xiàng)，中心差分離散其余項(xiàng).離散的方程由交替方向隱格式(ADIS)求解.

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

以一艘載重量46 000 t油船為對象，研究縱傾對阻力的影響.模型縮尺比α=26，實(shí)船和船模主要參數(shù)列見表1.船體三維模型見圖1.

表1 載重量46 000 t油船及模型主要參數(shù)

圖1 載重量46 000 t油船三維模型

2.2 邊界條件和網(wǎng)格生成

數(shù)值計(jì)算的坐標(biāo)系定義為固定在船身上的右手笛卡爾直角坐標(biāo)系.坐標(biāo)原點(diǎn)位于船中縱剖面、水線面和首垂線的交點(diǎn).x,y軸分別指向船尾和右舷.粘性理論的計(jì)算域由六個(gè)邊界面組成：入流面設(shè)為入流邊界條件；出流面設(shè)為出流邊界條件；外邊界和船體表面設(shè)為固壁條件；對稱面和自由水面設(shè)為對稱面條件.粘性阻力數(shù)值求解的計(jì)算域和網(wǎng)格劃分圖2.為了平衡精度和計(jì)算效率，粘性計(jì)算網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)大約為45萬.

2.3 平浮狀態(tài)數(shù)值結(jié)果及試驗(yàn)對比驗(yàn)證

本文針對載重量46 000 t油船模型在不同縱傾下的阻力變化研究，進(jìn)行了相關(guān)的阻力模型試驗(yàn).模型試驗(yàn)于605研究所水池完成，水池尺寸為510 m×0.5 m×5 m，最大車速25 m/s.模型縮尺比為α=26，與數(shù)值計(jì)算模型大小保持一致.

圖3 平浮狀態(tài)不同航速的模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比

試驗(yàn)測量了設(shè)計(jì)吃水0.404 m、Fr分別為0.149 4，0.161 9，0.168 1，0.174 3，0.180 5，0.183 0，0.186 8(對應(yīng)實(shí)船航速分別為12，13，13.5，14，14.5，14.7，15 kn)時(shí)的阻力大小.在相同工況下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證.圖3曲線為平浮狀態(tài)下阻力隨不同航速的變化，圖中實(shí)線、虛線分別表示模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果.圖4為Fr=0.168 1時(shí)和Fr=0.183 0時(shí)模型試驗(yàn)(上)和數(shù)值計(jì)算(下)的波形對比.對比結(jié)果顯示：采用本文的數(shù)值計(jì)算所得到的結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果在低速時(shí)偏大，阻力大小誤差不超過5%.同時(shí)，數(shù)值計(jì)算方法還能很好的捕捉波形.

圖4 波形圖

3 變縱傾數(shù)值計(jì)算及分析

用上述的數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算油船船模在設(shè)計(jì)吃水、不同航速時(shí)不同縱傾對應(yīng)的阻力，其中縱傾設(shè)置為首傾0.15 m、平浮、尾傾0.1 m和尾傾0.2 m四種情況.并將計(jì)算得到的結(jié)果繪制成阻力-縱傾曲線.圖5為不同航速時(shí)的阻力-縱傾曲線.

圖5 不同航速下阻力-縱傾曲線

由圖5可知，F(xiàn)r=0.149 4時(shí)，船模總阻力的最小值是在縱傾值為-0.1 m時(shí)；Fr=0.161 9，0.168 1，0.174 3，0.180 5，0.183 0，0.186 8時(shí)，船模總阻力的最小值則均在縱傾值為-0.2 m時(shí).由此可知，在固定吃水下，對于每一個(gè)速度總能找到一個(gè)最佳縱傾值使得船舶的總阻力最小.

當(dāng)速度由小到大時(shí)，最小阻力值相較平浮狀態(tài)時(shí)的阻力依次減少了0.03%，2.40%，2.18%，1.02%，1.76%，2.44%，2.38%.由此可見，縱傾對船舶阻力有一定的影響，研究縱傾對阻力的影響，應(yīng)用到船舶運(yùn)營中，不僅能明顯節(jié)省油耗成本，更是有效節(jié)能減排的措施.

通過對設(shè)計(jì)吃水時(shí)變航速、變縱傾這一系列進(jìn)行阻力數(shù)值計(jì)算，將得到的全部數(shù)值結(jié)果進(jìn)行二元數(shù)學(xué)回歸，數(shù)學(xué)模型為

(5)

利用MATLAB仿真，回歸得到系數(shù)矩陣

圖6為仿真得到的三維圖形，更直觀地反映了總阻力與縱傾和航速之間的關(guān)系.根據(jù)以上給出的回歸公式，即可以獲得在給定航速時(shí)，使阻力最小的最佳縱傾值.

圖6 設(shè)計(jì)吃水時(shí)船模阻力與縱傾及航速的變化關(guān)系

4 結(jié) 束 語

本文用CFD的方法研究了縱傾對船舶阻力的影響.將平浮狀態(tài)模型試驗(yàn)得到的阻力結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了數(shù)值方法的可靠性.采用同樣的數(shù)值方法計(jì)算船模在四種縱傾狀態(tài)下的阻力值，分析阻力隨縱傾值的變化，發(fā)現(xiàn)船舶在不同航速下，特別是航速較高時(shí)，總能找到一個(gè)縱傾值使得船舶阻力達(dá)到最小，這個(gè)縱傾值即為最佳縱傾值.最后，本文給出了載重量46 000 t油船在設(shè)計(jì)吃水，不同航速、縱傾下，總阻力值的估算公式，通過該多項(xiàng)式擬合出的曲面能更直觀地反映船模阻力與縱傾及航速的變化關(guān)系.

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The Numerical Study on Optimal Trim of Oil Tanker Based on Reduce Resistance

ZHANGJing1,2)CHENGXide1,2)FENGBaiwei1,2)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(KeyLaboratoryofHighPerformanceShipTechnologyofMinistryofEducation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)

When ship speed changes on the voyage, the ship resistance can be kept to a minimum by adjusting the pitch, which is helpful for energy-saving and emission reduction. In this paper, the numerical simulation method is used to study the change law of resistance of 46 000 DWT oil tanker with different pitch, and then a regression formula is obtained. The resistance value of the tanker in flat floating state is calculated with RANS equation and finite volume method (FVM) The results are compared with the model test results. Then, the same numerical method is used to calculate the resistance of the oil tanker under a series of trim values, and the influence of trim on ship model resistance is analyzed. Finally, the regression formula of the total resistance is presented under different trims and speeds, which has a certain value for the prediction of the actual tanker’s trim adjustment.

numerical calculation; model test; variable trim; model resistance

U661.31

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.031

2017-07-10

張晶(1993—)：女，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇安倏v性

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51179143)