33.2 m遠洋雙甲板拖網漁船阻力特性分析

李 納，梁建生

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092)

目前，中國過洋性漁船多為近海漁船改造而成，能耗高、效益差，在公海捕撈作業中競爭力明顯落后。為了增強遠洋漁業的國際競爭力，提高利用公海漁業資源的能力，急需強化遠洋漁業科研力量，研究遠洋漁船節能降耗標準化船型及配套裝備關鍵技術。圍繞中國遠洋漁船船型落后的問題，開展遠洋漁船船型優化，開發性能優良、節能降耗的新型漁船已勢在必行，漁船阻力優化也成為熱門課題。

目前，船舶阻力性能的研究有3種方法：理論方法、數值模擬方法和試驗方法。國內外許多學者和專家進行了深入研究：如通過建立各種數學理論模型，對船舶阻力進行回歸分析，推導出簡易、有效的回歸方程[1-4]；利用FLUENT、Flow-3D等計算流體軟件對船舶及海洋結構物的阻力計算進行數值仿真模擬，并通過船模試驗對計算結果進行對比分析[5-10]；將CFD仿真模擬技術應用到漁船設計領域，可有效提高漁船及漁機裝備的設計研發能力[11-15]。

本研究對33.2 m遠洋雙甲板拖網漁船船型進行基于Oosterveld海船的剩余阻力回歸分析及CFD漁船船型阻力的特性分析，并在船模拖曳水池進行比較試驗。在理論分析設計選定優秀基本船型基礎上，通過CFD模擬分析和船模試驗驗證對船舶進行型線優化及阻力特性曲線預報，建立漁船船型優化方案。

1 船型阻力分析

1.1 阻力分析原理

船體總阻力Rt可以分為興波阻力Rw、摩擦阻力Rf和粘壓阻力Rpv，其關系表達式[16]為：

Rt=Rw+Rf+Rpv

(1)

興波阻力Rw和粘壓阻力Rpv合并在一起，稱為剩余阻力。

實船阻力計算采用二因次換算方法，將阻力分為摩擦阻力和剩余阻力兩部分，摩擦阻力按平板試驗所得的經驗公式計算，剩余阻力則服從相似定律。換算的具體步驟如下：

1)計算摩擦阻力Rf。摩擦阻力系數采用1957年第8屆ITTC公式[17]：

(2)

2)計算剩余阻力Rr。由總阻力中減去摩擦阻力，得出剩余阻力Rr：

Rr=Rt-Rf

(3)

應用相似定律，根據船模的剩余阻力換算出實船在相當速度下的剩余阻力Rr。

(4)

式中：Ds、Dm分別表示實船及船模的排水量(t)；Rrm表示船模剩余阻力。

3)計算相當速度下的實船摩擦阻力Rf。加上實船剩余阻力以及粗糙度補貼，得出實船在相當速度下的總阻力Rt。

Rt=Rf+Rr

(5)

阻力也可以系數的形式表示如下：

Ct=Cf+Cr+ΔCf

(6)

式中：ΔCf表示粗糙度補貼系數,取ΔCf=0.4×10-3;Ct表示總阻力系數；Cr表示剩余阻力系數。

1.2 阻力回歸數學模型分析

利用構建的基于荷蘭水池歐斯特懷爾德(Oosterveld)海船剩余阻力回歸多項式的小型漁船阻力特性分析數學模型對33.2 m遠洋雙甲板拖網漁船進行剩余阻力特性理論分析。對93種小型海船模型的970個阻力試驗數據資料進行統計回歸分析，得到剩余阻力回歸公式，統計誤差平均值7.3%，其精度優于泰勒法及其他一些估算法。表達式為：

Rr/Δ=C1f1+C2f2+C3f3+C4f4

(7)

式中：參數Ci的計算公式為Ci=∑ki,j{LCB、CP、L/B、Ie、B/d、CM} ；Rr是剩余阻力；f1、f2、f3、f4是阻力系數；LCB是浮心縱向位置；CP是棱形系數；L/B是長寬比；Ie是半進水角；B/d是寬度吃水比；CM是舯剖面系數；Δ表示排水量。

摩擦阻力按ITTC標準計算：

(8)

式中：ρ—水的密度，kg/m3；S—船體濕表面積，m2；V—船速，m/s。

33.2 m遠洋雙甲板拖網漁船主尺度要素為：水線長(LWL)為30.5 m；垂線間長(LPP)為28 m；型寬(B)為9 m；型深(D)為5.7 m；吃水(d)為3.5 m；濕表面積(S)為353 m2；排水量(Δ)為590.39 t；設計航速(V)為10.2 kn。33.2 m遠洋雙甲板拖網漁船阻力特性分析結果見表1。

表1 拖網漁船阻力特性分析結果

1.3 CFD阻力特性分析

采用Flow-3D計算仿真軟件，使用VOF方法，結合RNG k-ε模型[18]，通過求解Navier-Stokes方程，對33.2 m雙甲板拖網漁船裸船體直航運動時的定常繞流的流場特性進行數值模擬和阻力計算。

1.3.1 數值計算方法

1)控制方程[19]。連續性方程：

(9)

動量方程：

(10)

2)湍流模型。湍動能k方程：

(11)

湍流耗散率ε方程：

(12)

3)邊界條件。根據對流場模擬計算的需要，并參考相關文獻及其經驗，采用的控制域為一長方體。按如下方案設置計算控制域的范圍和船模在控制域中位置。

進流邊界條件：船艏前1倍船長處，采用速度進口邊界條件。出流邊界條件：后端在船艉4倍船長處，采用壓力出口邊界條件。物面邊界條件：漁船外表面，設定無滑移條件。模型周向條件：下邊界在離龍骨2倍船長處，側面邊界在離船縱舯剖面2倍船長處，速度為未受擾動的主流區速度。

1.3.2 數值計算模型及計算工況

1)計算模型。用于數值計算的模型尺度相對于實船尺度按縮尺比λ=1∶10的比例選取。

2)數值計算工況。流體參數：溫度20 ℃，密度998.2 kg/m3，動力粘度0.001 003 kg/ms。計算航速：對船模以6種速度直航的阻力和粘性流場進行數值模擬，相應的船模速度和實船速度見表2。

表2 實船及模型運動速度

1.3.3 船體幾何建模及網格劃分

1)船體幾何建模。根據船模型線，采用Flow-3D軟件進行船體幾何建模和網格劃分[20-22](圖1和圖2)。計算區域在船首和船側1倍船長，在船后4倍船長，底部以下2倍船長。

圖1 模型側視圖

圖2 計算域示意圖

圖3 網格劃分示意圖

2)模型網格劃分。在CFD研究中，網格劃分作為人為因素影響最大的部分，是至關重要的一步，應該根據實際的CFD問題確定網格劃分的方式和方法。

FLOW-3D具有自動網格生成技術，由于船艏艉形狀復雜，附近速度梯度較大，應該進行局部網格加密。船體附近區域是計算研究的重要區域，網格的疏密好壞直接影響計算結果。這里采用局部網格加密的方法，在計算機計算能力范圍內細化網格，提高計算精度。劃分網格如圖3所示。

3)計算結果分析。通過對漁船黏性繞流場進行數值模擬，得到船舶的阻力、自由液面高度、船體周圍壓力分布以及船體周圍速度等流場信息。模型阻力計算結果及實船阻力換算：計算得到不同航速下對應船模的阻力，并使用二因次換算法將計算得到的阻力轉換為實船阻力[23-24]，模型阻力仿真結果及實船阻力見表3。

4)船體周圍壓力云圖和速度云圖。CFD仿真過程中船體周圍壓力分布以及船體周圍速度等流場信息如圖4和圖5所示。

表3 模型阻力計算結果及實船阻力換算表

圖4 速度為0.6 m/s、1.3 m/s 和1.9 m/s時的船體周圍壓力云圖

圖5 速度為0.6 m/s、1.3 m/s 和1.9 m/s時的船體周圍速度云圖

基于CFD三維船體數值模擬考察不同航速下自由液面、船底壓力分布以及船體周圍波高、速度情況，這些信息生動形象地再現了船舶繞流場的細節，通過對這些流場信息的觀察和分析，數值計算結果表明該設計漁船阻力變化趨勢合理，阻力性能良好。

1.4 船模阻力試驗分析

船模試驗是研究船舶阻力最普遍的方法。根據試驗要求并考慮深水拖曳水池的試驗能力、試驗模型的安裝和快速性模型試驗技術，確定模型的縮尺比為1∶10，表4為33.2 m雙甲板拖網漁船實船與模型的主尺度與船型參數。船模阻力試驗包括3個工況：設計吃水狀態、輕載吃水Ⅰ狀態、輕載吃水Ⅱ狀態。設計吃水狀態實船阻力與有效功率預報結果見表5。

表4 33.2 m雙甲板拖網漁船實船與模型船型參數

表5 實船預報結果

2 應用分析

將阻力回歸公式的計算結果、CFD模擬計算結果與船模試驗結果繪制成曲線進行比較，其阻力性能曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出：

1)阻力曲線表明阻力回歸分析的結果與船模試驗結果變化趨勢比較接近，誤差絕對值在20%以內，在9.0 ～11.0 kn船機槳匹配計算區段誤差在10%以內。因此，利用漁船阻力特性分析數學模型可以進行優秀母型船篩選，提高設計效率，并可以對漁船進行初步的低阻力線型優化。

2)阻力曲線表明，CFD模擬結果與船模試驗結果的變化趨勢更接近，兩者偏差的平均值為11.1%，在9～11.0 kn船機槳匹配計算區段誤差在10%以內，說明CFD阻力計算與模型試驗阻力基本吻合，CFD方法具有較好的精確性和實用性，可以對漁船進行進一步的型線優化。

圖6 阻力數值模擬與試驗比較

3)初步確定船型主尺度和船型系數后，通過船型降阻節能優化對船型主尺度和船型系數進行最優分析，完成最終詳細設計。實船捕撈生產驗證該船型設計合理，適航性、快速性、操縱性和安全性等綜合性能相比同類船型優點明顯，節能20%以上，捕撈產量提高兩成，經濟效益可觀。

3 結論

綜合利用阻力數學模型，CFD仿真模擬和船模試驗對33.2 m遠洋雙甲板拖網漁船船型阻力性能進行了分析研究，建立了漁船船型優化方案及其理論分析方法。開發的遠洋雙甲板拖網漁船示范應用效果反響良好，經濟和社會效益明顯，充分體現了現代漁船的技術水平，達到了“安全、經濟、節能、環保、適居”的目標要求。

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