U型救生裝置阻力性能研究

李雙月，劉卓俊，張瑞瑞，包國治，李永正 ，張 劍，陳逸飛

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003;3.華潤燃氣(上海)有限公司，上海 200040)

0 引言

航運船舶在實施救援時，常用的傳統救生圈受風浪流影響較大，因不具備自航能力常常無法及時到達落水者身邊，導致救援時間延誤；而常用的救生艇又易受水域水深影響，無法到淺狹水域實施救援。國內學者[1-3]針對彈射式救生裝置開展系列研究，開發了一系列效率高的救援裝置，但其精準度相對較低。本文利用船舶設計思想，基于傳統救生圈理念，開發一種可操縱控制巡航至溺水者身邊的U型救生裝置。采用數值模擬方法，對該U型救生裝置在各種工況下的水動力性能進行研究，分析其載荷及周圍流場的壓力分布，為后期的外形和結構優化提供一定的數據支撐。

1 數值方法

在湍流的非直接數值模擬中，應用最廣泛的是雷諾平均N-S方程[4]。在一般笛卡兒坐標系下，忽略脈動的影響，用張量的指標形式表示的雷諾平均N-S方程如下：

(1)

(2)

在RNGk-ε模型中，通過在大尺度運動和修正后的黏度項中體現小尺度的影響，而使小尺度運動有系統地從控制方程中去除。所得到的k方程和ε方程如下：

(3)

(4)

RNGk-ε[4]可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動，但在雷諾數較小的近壁區域，必須要采用特殊的方法進行處理。本文采用標準壁面函數法。

本文的流體域中包含水和空氣兩種流體，采用流體體積函數法(VOF)捕捉兩種液體界面。VOF 方法將流體體積函數F設定在單元中心，流體速度也選取網格單元中心點。根據相鄰網格的流體體積函數F和網格單元四邊上的流體速度來計算流過制定單元網格的流體體積，借此來獲得指定單元內下一時刻的流體體積函數F，進而確定自由面的位置和形狀。F滿足：

(5)

式中：u、v、w分別為單元中點處的流體速度分量；t為時間。

2 計算模型

本文的研究對象為新開發的U型救生裝置。該裝置由前體和兩個側后體組成，三個片體均為船形，三個片體之間由連接橋連接。具體形狀見圖1。裝置參數分別為：裝置長1.1 m，寬0.8 m，兩側體間距0.65 m。

圖1 U型救生裝置圖

數值模擬過程采用長方體流體域。流體域長度取15倍船長，寬度取8倍船長，高度取8倍船長；救生裝置位于距流體入口5倍船長，距側邊界及下方邊界各4倍船長處。流體域見圖2。流體域網格劃分見圖3。

L—船長。

圖3 裝置模型及周圍流域網格劃分

利用Fluent軟件進行數值模擬，使用三維非定常隱式求解器，選擇k-ε湍流模型和兩層流模型進行模擬。整個計算域邊界在吃水線位置分為兩個入口邊界，吃水線以上為空氣入口，以下為水入口；出口定義為壓力出口。為節約計算時間，采用半模型，設置裝置對稱面為Symmetry邊界。

3 數值模擬結果及分析

考慮裝置在實際使用過程中不同配重，計算工況分為空載、搭載兒童、搭載成人和極限載重4種工況。針對每個工況選取3個不同的航速，進行阻力性能的對比研究。

3.1 阻力分析

各計算工況的阻力值見表1，各計算工況救生裝置阻力及阻力系數隨航速變化曲線見圖4。

表1 救生裝置阻力及阻力系數變化表

圖4 各計算工況救生裝置阻力及阻力系數隨航速變化圖

從表 1和圖 4可以看出， 隨著航速的增大，各載重工況下裝置阻力均增大，且搭載兒童和搭載成人工況的阻力增加速度更明顯；對比某一航速下不同載重工況救生裝置的阻力值，發現搭載兒童和搭載成人時的阻力值較其他兩個工況要大。從阻力系數變化圖可以看出，各載重工況下，裝置的阻力系數隨著航速增加而減小后趨于平緩，極限載重工況阻力系數值最小且減小變緩的趨勢更加明顯。以上分析說明，救生裝置正常作業工況(搭載兒童和搭載成人)的阻力值較大且隨航速變化明顯。

3.2 救生裝置周圍的流場情況

通過分析阻力和阻力系數發現，搭載兒童和搭載成人工況的阻力值較大，因此后續流場分析等以搭載兒童和搭載成人工況為主開展研究。救生裝置表面壓力分布圖見圖5。

圖5 救生裝置表面壓力分布圖

由圖 5可以看出，裝置前體首部出現高壓區。隨著航速增加，高壓區范圍增大，高壓區內的壓力也逐漸增大，這是由于前體對流體的阻礙作用引起的。流體繞流經過前體首部后，在前體中尾部出現低壓區，隨著航速增加，低壓區范圍逐漸增大和后移。對于后側體，同樣因為側體對流體的阻礙作用，在側體的首部出現高壓區，且隨著航速的增加，高壓區的范圍逐漸擴大，高壓區內的壓力也逐漸增大；流體繞流過側體首部后，在首部和平行中體段連接處，流線迅速擴張產生舭渦出現低壓區，并且隨著航速的增加，該低壓區會進一步擴大。流體流經裝置過程中，裝置各部分型線變化不同使得對流體的阻礙作用程度不同，進而引起裝置周圍流場壓力變化的不同，造成裝置受到的阻力有所不同。

3.3 片體連接橋的壓力分布

圖6給出了前體與側體連接橋的壓力分布情況。連接橋最大壓力約為裝置主體最大壓力的1/3，連接橋高壓區主要分布在前體與連接橋連接處、側體與連接橋連接處以及連接橋迎流邊界處，而連接橋低壓區則主要分布于前體中后體與連接橋連接處和連接橋去流處。對比圖6(a)～(h)發現，隨著航速增加，連接橋上壓力變化更加明顯，高低壓區也更加集中，這對連接橋的強度十分不利。

圖6 片體連接橋壓力分布情況

3.4 裝置周圍自由液面分布

圖7給出了搭載兒童和搭載成人工況各航速下自由液面爬升情況。從圖中可以看出，由于前體的影響，流體流經前體后在側體上均有一定的爬升，且隨著航速的增加，爬升的高度有所增加，且在爬升的過程中伴隨有波浪破碎現象。

圖 7 自由液面爬升情況

4 結論

本文利用Fluent軟件，針對新開發的U型三體叉式布局救生裝置在空載、搭載兒童、搭載成人和極限載重工況，不同航速下的阻力性能和流場分布情況進行分析，得出以下結論： (1)隨著救生裝置搭載重量逐漸增大，裝置產生的阻力呈現先增大后減小的趨勢，得出搭載兒童和搭載成人時的阻力及阻力系數較大。

(2)通過對搭載兒童和搭載成人工況下救生裝置周圍流場壓力分布、連接橋壓力分布以及自由液面爬升情況的分析，得出前體、側體首部、連接橋迎流邊界及其前后體與連接橋連接部位均會出現高壓區，前體中后段及其與連接橋連接部位、連接橋的去流邊界和側體首部與平行中體過渡段均會出現低壓區，高低壓差是造成裝置阻力的主要因素。

通過本文的研究，對U型救生裝置的水動力有了基本的理解，為后期的裝置結構設計以及裝置改進提供了一定的支撐。