GONDOLA型多波束附體對船舶阻力性能的影響

肖士杰，司冠南，陳建濤，李仁常

(1.山東交通學院，山東 濟南 250357；2.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東 青島 266100；3.青島中烏特種船舶研究設計院有限公司，山東 青島 266000)

多波束測深系統又稱為條帶測深系統，它是利用聲波在水下的傳播特性來測量水深，安裝在船底或附體上的發射換能器陣向海底發射超寬聲波束，接收換能器陣接收海底反向散射聲信號，經過模擬/數字信號處理形成多個波束，獲得多個水深數據。多波束測深系統是當今海洋基礎勘探中的一項高新技術產品，是計算機科學技術、導航定位技術、水聲技術和數字化傳感器技術等多種技術的高度集成，是一種全新的高精度全覆蓋式測深系統[1-2]。

目前，多數國內外新建綜合海洋科學考察船都已經裝備了多波束測深系統。它一般布置在船舶中前1/3處或者更為靠前的位置，常用的安裝型式有嵌入型、導流罩型和GONDOLA型等。GONDOLA型多波束安裝型式是指船底伸出掛壁與附體連接，多波束換能器安裝在附體底部。該種安裝型式掛壁高度約為600 mm，換能器距離船底高度約為1 200 mm。船舶在航行中船首產生的氣泡層通過船底與導流罩附體之間的間隙流向船尾，因此對安裝在導流罩附體里的聲學換能器影響較小，測量效果好[3]。

多波束的安裝對船舶阻力影響較大，GONDOLA型多波束附體使得船舶阻力增加約20%～40%。進行帶GONDOLA型多波束附體船舶阻力性能的研究，是做好該類船舶快速性設計的前提。

1 船舶阻力研究方法類別

船舶總阻力Rt主要包括興波阻力Rw、黏性阻力Rv、附體阻力Rap及波浪中航行時的阻力增值Raw，即[4]

Rt=Rw+Rv+Rap+Raw

船舶阻力研究方法有理論計算分析法、數值模擬法和模型試驗法等。理論計算分析方法有線性理論、面元法理論及經驗公式估算等；常用的數值模擬方法有有限差分法、有限體積法、有限元法、有限分析法等；模型試驗法對于船舶阻力的確定仍然起著決定性的作用，常用來驗證其他阻力研究手段的可靠性。

船舶阻力數值方法在船型優選、優化中起著重要作用。隨著計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術發展及計算人員經驗積累，其計算精度逐漸滿足工程需要，越來越多地應用在船舶阻力的確定方面。

2 帶有GONDOLA型多波束附體船舶阻力數值模擬計算

船舶阻力數值模擬是通過計算流體動力學軟件來實現的。CFD軟件是專門進行流場計算、分析和預報的軟件。通過CFD軟件數值模擬，可以計算、分析并顯示發生在流場中的各種現象，得到比模型試驗更多的流場信息。在比較短的時間內，CFD軟件可以進行水動力性能的預報，在多目標船型優選、單目標船型優化及水動力性能預報方面有廣泛的應用[5-9]。

本文的計算原型為綜合科學考察船。采用縮尺比1∶13，進行建立幾何模型、構建計算域、劃分網格、定義邊界條件、設定求解等模擬計算操作。

2.1 建立幾何模型

為了研究GONDOLA型多波束附體產生的阻力，分別建立光體船舶模型及帶有多波束附體的船舶模型。同時，船舶光體、附體及其流場關于船舶中縱剖面對稱，僅需建立半體模型即可實現對整個流場的模擬計算。

2.2 構建計算域

船舶在海上航行時，不受淺水效應及壁面效應的影響，可以認為其處于無界的流場中。所以，進行數值模擬計算時，應該將模型置于無限大的計算域中，以保證數值模擬與實際情況的一致性。但是，數值模擬中設置無限大的計算域實際上是做不到的，我們只有根據數值模擬計算的特征、船舶模型尺度及計算精度要求建立適當大小的計算域。同時，計算域的外形對網格類型和網格質量有一定的影響，進而影響模擬計算的計算時間和計算精度。

本計算中，選用長方體計算域，分上、下兩部分，上部分計算域的流體為空氣，下部分計算域的流體為海水。

2.3 網格劃分

數值模擬網格采用重疊網格方法，它將復雜的流動區域分成幾何邊界比較簡單的子區域，各子區域中的計算網格獨立生成，彼此存在著重疊、嵌套或覆蓋關系，流場信息通過插值在重疊區域邊界進行匹配和耦合。重疊網格既擁有結構網格邏輯關系簡單、流場計算精度高、效率高、壁面黏性模擬能力強等優點，又彌補了結構網格對外形適應能力差的缺點[10]。

計算區域的網格單元總數約69萬(半體計算域)，壁面30≤y+≤50。面網格、體網格分別見圖1、圖2及圖3所示。

圖1 光體模型及表面網格

圖2 光體+多波束附體模型及表面網格

2.4 定義邊界條件

根據數據模擬的具體問題定義邊界條件：入口邊界設定為空氣/海水速度入口；假定出口邊界不受尾流擾動的影響，設定為壓力出口，壓力分布為靜水/空氣壓力；船舶模型表面設定為壁面，引入標準壁面函數；計算域及船舶模型中縱剖面設定為對稱面。選擇均勻流場作為模擬初始條件。船舶模型邊界條件設置見圖3所示。

圖3 體網格及邊界條件

2.5 求解設定與計算

水面船舶自由面繞流問題的數值模擬中，自由面采用Level-set法，流動采用非定常RANS(雷諾平均Navier-Stokes方程)方程模擬，選擇SSTk-ω湍流模型，封閉RANS方程。

進行數模擬計算至結果收斂。

3 數值模擬結果

計算至收斂以后，根據需要分別提取典型航速下2個模型的自由面興波圖、表面流線圖等。自由興波圖見圖4、圖5所示，Fr為傅汝德數，表面流線圖見圖6、圖7所示。

圖4 光體模型自由面興波圖(Fr=0.212)

分別提取不同航速下2個模型的模型阻力數據，進一步換算為實船光體阻力數據和實船光體+多波束附體阻力數據，見表1所示。以航速Vs為橫軸，阻力Rs為縱軸繪制出船舶阻力曲線圖，見圖8所示。

圖5 光體+多波束模型自由面興波圖(Fr=0.212)

圖6 船體表面流線圖

圖7 多波束表面流線圖

表1 船舶阻力數據表

圖8 船舶阻力曲線圖

4 結束語

介紹了GONDOLA型多波束，并對船舶光體、船舶光體+多波束附體分別進行了阻力性能的數值模擬計算。通過模擬計算，可以得到如下結論：

1)采用數值模擬方法可以很好地進行船舶流場計算、分析和預報，直觀地顯示發生在流場中的各種現象，得到比模型試驗更多地流場信息。

2)通過數值模擬計算，可以方便地進行船舶阻力計算和預報，為船舶快速性設計提供依據。

3)船舶光體、船舶光體+多波束的數值模擬計算結果對比顯示，不同航速下多波束附體產生阻力增幅不同，該多波束附體產生阻力增幅范圍約為25%～50%。