內河新型豪華游輪船型阻力研究

齊英凱 趙丙乾 劉佳侖

摘 要：由于航道吃水限制及裝載工況多變，新一代內河豪華游輪多采用雙艉或者三艉設計，船型寬淺肥大，主要船型系數和海船差異較大。本文在以往內河船型阻力研究基礎上，以新型內河三艉豪華游輪為研究對象，采用粘性流計算軟件FINE/MARINE，考慮了自由面的影響，分別針對裸船體、裸船體帶舵及裸船體帶舵并考慮船舶運動的影響等三種不同計算狀態的船型阻力開展預報研究，并通過水池試驗進行有效驗證。計算結果滿足工程精度要求，可作為新型豪華旅游船的船型阻力評估依據。

關鍵詞：三艉;FINE/MARINE;阻力

中圖分類號：U662? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0104-04

內河新一代豪華旅游船船型開發逐步成為行業發展熱點。為適應行業新的需求，相較于傳統客船，新一代豪華旅游船更安全、更經濟、更舒適。特別是隨著近年來國家對郵輪經濟及產業大力扶持，在內河也掀起了一股豪華郵輪、大型水上娛樂設施的建造熱潮。開展新型豪華旅游船船型研究，需要精確評估船舶快速性等參數，在船型設計前期，一般通過水池試驗確定船舶快速性能，以便獲得優良船型。但是船模試驗需要制作船體模型，費用高，周期長，并且不容易針對多種船型方案進行調整。特別是在船舶設計初期，如何精確評估船舶阻力、流場數據，用以掌握船舶性能指標以及方便后期的船舶優化改進，是豪華旅游船船型開發的關鍵所在。

隨著計算性能的快速發展，采用計算流體力學（CFD）研究船舶航行性能已成為可能。相較于模型試驗，CFD 費用低，周期短，可以精準獲得船舶周圍流場特性，方便根據流場改進船型。目前，國內一些研究機構采用RANS加自由面的處理方法，對船舶快速性能預報基本達到工程實用精度[5～8]，但以上研究大都基于海船船型。由于航道吃水限制及裝載工況多變，內河船舶多采用雙艉或者三艉設計，船型寬淺肥大，主要船型系數和海船有較大差異，目前研究較少。

FINE/Marine 是船舶與海洋工程水動力專業計算軟件包[9]，主要包括網格生成器HEXPRESS、后處理工具CFView和不可壓粘性流場求解器ISIS-CFD。其特色在于，HEXPRESS為全六面體非結構網格生成工具，采用體到面的網格生成方式，可以快速生成高質量網格。而且，對于船舶工程問題的模擬都可以通過使用界面的設置計算實現，無需通過二次開發功能，方便快捷。

為精確獲得豪華旅游船航速功率指標及船舶流場信息，基于計算流體動力學CFD方法，以往內河船型阻力研究基礎上，以新型內河三艉豪華游輪為研究對象，采用粘性流計算軟件FINE/MARINE，考慮了自由面的影響，分別針對裸船體、裸船體帶舵及裸船體帶舵并考慮船舶運動的影響等三種不同計算狀態的船型阻力開展預報研究，并通過水池試驗進行有效驗證。計算結果滿足工程精度要求，可作為新型豪華旅游船的船型阻力評估依據。

1數學模型

本文對水面船舶自由面擾流問題的數值模擬是將自由面流動作為兩相流來處理，自由面為水和空氣的交界面，使用VOF（Volume of Fluid）方法處理。水面船舶自由面擾流問題數學模型的控制方程包括：連續性方程、體積分數方程、動量方程，以及湍流模型的方程和方程。

1.1 控制方程

不可壓縮黏性流體的連續性方程和動量方程分別為：

式中，t為時間;ρ為密度;V為控制體;S為控制體的面積;Ud為控制體面積法向向量的速度;U和p分別為速度和壓力;Ui為在xi坐標軸方向上的平均速度分量;τij和gi分別為黏性應力張量和重力矢量;Ii和Ij分別為方向向量。

1.2湍流模型——SST? ? ? ? ? ?模型

1.3自由面捕捉算法

自由液面捕捉法將空氣和水作為單一流體同時計算，該單一流體的性能（質量體積和黏性因數）在空間的變化取決于構成函數ci，在自由液面計算中，ci在空氣中取值為0，在水中取值為1，通過求解下式確定：

自由液面捕捉算法具有更好的靈活性和適應性，可較好地模擬破碎波等復雜的自由液面。

1.4 離散格式

控制方程的離散項采用隱式有限體積法，直接求解三維黏性不可壓多相流的雷諾平均方程，具有2階空間和時間精度，動量方程離散采用GDS格式，時間離散采用時間步進算法。自由液面捕捉采用BRICS可壓縮型離散格式，能減小自由液面附近構成函數的數值擴散。

2 研究對象

本文的研究對象為內河三艉豪華旅游船。航行于長江重慶-上海航線，設計航區為A、B、C 航區，J2級急流航段。船型為三艉、小球首單體船型。為準確預報船舶阻力，在702所拖曳水池進行阻力測試。本文對船模尺寸進行CFD模擬計算。主要船型參數如表1所示，船體三維模型見圖1：

3數值計算

3.1計算區域及邊界條件

為分析對比不同船型計算方案的影響，本文選擇全船進行水動力計算。其中計算邊界定義如下：

（1）前端——模型首部前約1.5LPP處;

（2）后端——模型尾部后約3.5LPP處;

（3）側邊界——模型側方約1.5LPP處;

（4）上邊界——水線以上約0.5LPP處;

（5）下邊界——水線以下約1.5LPP處。

計算域上下邊界取為壓力邊界，前后截面及船側取為遠流場邊界條件，船體甲板面為滑移物面，其他表面為不可滑移物面條件。在求解過程中存在時間偏導項，船體從靜止到某一航速，給定加速時間，然后船舶按照設計航速航行直至收斂。

3.2網格劃分

計算網格質量影響數值計算的正確性和精確性。本文采用軟件自帶前處理器HEXPRESS生成全六面體非結構化網格。通過網格粗化、細化，吸附以及自由面附近進行細化形成貼體網格。其中第一層邊界層網格間距及邊界層層數根據y+確定。分別對三艉豪華游輪進行裸船體和裸船體加舵兩種狀態下的網格劃分，其中裸船體加舵計算網格總數約為192萬，裸船體網格總數為152萬。網格質量通過網格之間的正交性來保證，即絕大部分網格正交性為90 deg。其中，對于裸船體的網格最小正交性為≥12.51deg，對于裸船體加舵的網格，由于舵尾緣尺寸較小，最小正交性為≥11.29deg，網格質量滿足數值計算要求。計算區域網格、船體表面網格及船體首尾網格細節劃分如圖2、圖3、圖4所示。

4計算結果分析

分析結果處理中，無量綱系數傅汝德數Fr，雷諾數Re、船舶總阻力系數CT和摩擦阻力系數CF_ITTC分別定義如下：

式中：Vm為求解船模速度;g為重力加速度;ρw，μw分別為水的密度和粘性。Sw為船舶靜水濕表面積。R為船模阻力。

水面船舶前進時，會對其周圍流場產生影響，導致壓力場和剪應力場發生變化，也就是使船舶所受到的力和力矩發生變化：

數值模擬中，作用在船體上的力和力矩可以有（10）～（11）兩式得到，船舶運動的速度、角度、位置和姿態可以由（12）～（13）得到。船體在靜水中前進時，流體作用在船體上的力和力矩會使船體產生運動（縱傾和升沉），船體運動至新的姿態后，又使得作用在上面的力和力矩發生變化，力和力矩的變化與船模運動數值模擬的過程是耦合迭代的。數值模擬的過程足夠長時間后，力、力矩會相對平穩，船體運動姿態也會相對穩定，這個姿態就是船體航行的平衡姿態。

為后期進行船型研究需要，在進行CFD數值計算時，考慮三種計算狀態，分別為：CAL_I，帶舵船體數值模擬，考慮船舶運動（縱傾和升沉）的影響;CAL_II，帶舵船體數值模擬，不考慮船舶運動的影響（縱傾和升沉）;CAL_III，裸船體進行數值模擬，考慮船體運動的縱傾和升沉的影響。三種狀態在不同航速計算結果以及與試驗結果的對比如圖5和表2所示，其中誤差的定義為ERR=（CCAL-CEXP）/CEXP。

船模在進行水池試驗時帶舵進行的，為了進行數值模擬有效性驗證及后期船型優化的需要，在進行數值模擬時考慮了三種狀態。其中，CAL_I為帶舵船體數值模擬并考慮船舶運動（縱傾和升沉），CAL_I與物理水池的實際更為接近，誤差基本在2%左右，且CFD數值模擬結果比試驗結果略小，趨勢穩定，充分說明CFD模擬的精度和可靠性。CAL_II為帶舵船體CAL_II，帶舵船體數值模擬，不考慮船舶運動的影響（縱傾和升沉）。主要是為了驗證船舶運動姿態對于船型阻力的影響?？梢钥闯觯S著船舶航速的提高，船舶運動姿態的影響越大。CAL_III為裸船體進行數值模擬并考慮船體運動（縱傾和升沉）的影響?？梢钥闯?，舵的影響相對來說比較穩定，三個舵阻力增量基本在4%左右?？梢钥闯鰧τ诓煌难芯磕康?，需要考慮船舶計算模態各不相同，對于船舶線型優化來說，由于舵等附體增加線型優化的復雜性，因此選擇裸船體（CAL_III）進行優化，對于船舶航速功率預報而言，舵等附體阻力成分不可忽略，因此選擇裸船體帶舵進行計算（CAL_I或CAL_II）。船舶運動對船體阻力的影響隨航速有所差別，對于低速船而言，船舶縱傾和升沉的變化較小，因此不考慮船舶運動的影響也相對合理，但是船舶航速增加時，船舶縱傾和升沉的變化對于流場的改變不可忽視，船舶運動將會對船舶阻力、興波產生比較明顯的影響，因此在數值模擬中需要考慮船舶縱傾和升沉的影響。

基于CFD的船舶阻力評估分析可以給出船舶詳細的航速流場信息，方便船型的優化和改進，這是CFD的一大優勢。上圖分別為船模對應設計航速下的自由表面流場，船體側方波高及船舶水線高度，未來可以根據。

5結論

為精確獲得豪華旅游船航速功率指標及船舶流場信息，基于計算流體動力學CFD方法，以往內河船型阻力研究基礎上，以新型內河三艉豪華游輪為研究對象，采用粘性流計算軟件FINE/MARINE，考慮了自由面的影響，分別針對裸船體、裸船體帶舵及裸船體帶舵并考慮船舶運動的影響等三種不同計算狀態的船型阻力開展預報研究，并通過水池試驗進行有效驗證。計算結果滿足工程精度要求，可作為新型豪華旅游船的船型阻力評估依據。

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