某滾裝船雙尾鰭型線綜合優化研究

潘露峰 周華偉 牟立偉 毛獻群 楊素軍

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

雙尾鰭船型在船身效率方面的優勢，使其在寬淺吃水、螺旋槳直徑受限的內河船、滾裝船等領域廣泛應用。但由于尾鰭的遮擋作用，其后方易出現較大范圍的高伴流區，呈現出伴流場的高峰值、大梯度、不均勻等特點，是造成此類船型螺旋槳空泡惡化和推進效率降低的重要原因之一。而且，雙尾鰭與主船體型線之間的過渡對雙尾鰭附近的流場影響很大，型線過渡不順會產生局部漩渦，增加了黏性阻力而影響船舶的快速性。因此，有必要研究雙尾鰭形狀參數對伴流均勻度及阻力性能的影響，實現利用雙尾鰭船型船身效率優勢的同時，對尾鰭線型進行優化。

國內外學者采用數值仿真方法對船尾伴流場、阻力性能的影響因素做了大量研究。初紹偉等基于PARNASSOS軟件，研究了某集裝箱船在不同方形系數、尾部UV度等對船尾伴流的影響，通過對比數值解發現，當方形系數處于較大值時，船尾UV度的改變對船尾伴流的影響顯著。張大有等對一系列長江典型雙尾鰭客輪尾軸間距進行分析，發現當尾軸間距控制在0.50～0.55倍船寬之間時，由尾軸間距引起的伴流不均勻問題得到緩解。Kim H K等基于CFD方法，研究了某一集裝箱船在不同尾鰭傾斜角與雙尾鰭間距下，尾部流場的變化及對阻力特性的影響，發現尾鰭間距較尾鰭傾斜角對阻力特性影響更大。Maimun A等從尾部伴流的角度，研究了雙尾鰭間距與尾軸去流角的變化對推進性能產生的影響。

在尾鰭對船尾伴流的影響因素的研究上，各學者分別從雙尾鰭間距、尾鰭角度、尾部去流角以及船尾UV度等參數對船尾伴流及阻力性能的影響進行分析。本文以某雙尾鰭滾裝船船模為研究對象，因雙尾鰭型船特性，尾部型線趨于平緩，型線調整受限，優化空間小，尾鰭間距為0.55倍船寬，尾鰭間的流場干擾小，而尾鰭傾斜角度的改變會影響螺旋槳推進效率，設計中一般選擇直立型尾鰭，基于以上學者的研究結果及研究船模的自身特性，在研究過程中不再討論船尾UV度、尾鰭間距與尾鰭傾斜角的變化對雙尾鰭優化的影響，對該領域進行一定的補充研究與探討，以達到尾鰭優化的目的。本文基于STAR-CCM+軟件，預報了船尾槳盤面的標稱伴流、船模阻力，并與試驗對比，以驗證CFD方法的可靠性。然后，使用MARIC自開發的船型變換軟件Sline，對所要研究的尾鰭特征參數進行變換，通過CFD方法研究尾軸以上0.8

R

處的尾鰭去流角、尾鰭導圓半徑、槳盤與尾軸出口端的距離對船尾伴流及阻力的影響，以獲得伴流均勻度與阻力皆優的雙尾鰭優選方案。

1 研究對象與方法

1.1 計算模型

研究過程以某雙尾鰭滾裝船為研究對象，擁有船模試驗數據支撐數值結果，數值計算過程以模型尺度進行，船模長度為7 m、長寬比為5.7、船寬吃水比為4.0、方形系數為0.680、傅氏數為0.31，雙尾鰭型滾裝船模型見圖1。

圖1 雙尾鰭滾裝船模型

1.2 計算策略

因為研究的船模左右對稱，為減少網格數量，增加數值求解速度，在SATR-CCM+軟件進行數值模擬過程中取半船進行計算，研究過程中比較了Realizable

k

-

ε

模型與SST

k

-

w

模型兩種湍流模型對船模尾部伴流場模擬與阻力計算的精度，發現兩者在伴流場模擬的精度上差異很小，但Realizable

k

-

ε

模型在阻力計算精度優于SST

k

-

w

模型，Realizable

k

-

ε

模型為RANS兩方程模型，基于標準

k

-

ε

模型對輸運方程中的湍流黏度項進行了修正以提高模擬精度，不同湍流模型在流體力學中的適用性可參考文獻［5］。壁面處理方法是全

y

+壁面處理方法，是一種混合處理方法，根據網格特征自動生成適宜的邊界層網格，根據文獻［6］中的教程文件與文獻［7］中ITTC（2011b）推薦的CFD應用指南，邊界層數設置為5層，厚度為0.018 m，保證

y

+在60左右。基礎網格尺寸為

L

/55（

L

為船模長度），因船首尾處的流場形態比較復雜，對船首和船尾處網格進行局部加密，共生成210萬個網格。在對計算域的劃分過程中，以船尾水線面處為坐標原點，在坐標原點前2

L

，距船首

L

處邊界設置為速度進口，船側2

L

處邊界與船模中縱剖面所在平面邊界設置為對稱平面，船后2

L

處邊界設置為壓力出口，為增加計算精度，考慮到自由液面的影響，使用VOF方法來捕捉自由液面，空氣域的高度為

L

，船底以下2

L

范圍內為流體域，兩者的邊界條件都設置為速度進口，船體表面邊界設置為非滑移壁面，計算模型網格生成情況與計算域的劃分參見圖2和圖3。

圖2 雙尾鰭滾裝船網格生成情況

圖3 計算域劃分

1.3 計算精度分析

為驗證CFD的計算精度，將槳盤面0.7

R

、0.8

R

處的伴流分數、伴流等值線圖及船模的總阻力系數與模型試驗結果進行對比。因該船為左右對稱的雙槳船，本文僅對比右槳盤面伴流，并以槳盤面正上方為0

°

、順時針方向為正，伴流模擬結果、阻力計算結果等參見表1、下頁圖4和圖5。

圖4 槳盤0.7R 、0.8R處CFD與EFD伴流分數對比

圖5 CFD與EFD槳盤伴流圖對比

表1 船模阻力結果對比%

從計算結果可以看出，0.7

R

與0.8

R

處的伴流分數曲線波峰、伴流分數峰值位置及槳盤伴流形態與試驗吻合較好。船模阻力的數值計算結果與模型試驗結果的船模總阻力系數

C

誤差為1.25%，較精確預報了船模阻力。

2 伴流均勻度的評判衡準

式中：

R

為螺旋槳半徑，m；

w

為各節點伴流分數。

3 尾鰭參數分析及船型變換

雙尾鰭形狀具有三維特性，其對尾部伴流伴流場及阻力的影響關系非常復雜，難以用于直接研究。考慮到槳盤0.7

R

處的伴流數值是螺旋槳設計過程中的重要參考參數之一，由于船后槳盤的抽吸作用，本文選取尾軸正上方0.8

R

水線形狀參數作為研究對象，基于MARIC自開發的船型變換軟件Sline，調整距尾端1.0

D

（

D

為螺旋槳直徑）位置的去流角

i

、尾鰭導圓半徑

r

得到不同特征參數的尾鰭型線。船型變換過程中，根據不同尾鰭特征參數的值，在CAD中勾畫出尾軸上端0.8

R

處尾鰭水線，然后導入至Sline軟件中作為背景線，基于該背景線對附近水線光順過渡，最后基于軟件對型線進行三向光順，得到特定參數值下的型線。其變換示意圖見圖6。

圖6 尾軸正上方0.8R水線形狀參數變換示意圖

4 尾鰭參數對伴流場和阻力的影響

4.1 去流角的影響分析

基于對雙尾鰭特征參數的分析，為探究尾軸上端0.8

R

水線處尾鰭去流角

i

對船尾伴流及阻力的影響，在保持其他船型參數不變的基礎下，僅改變尾鰭去流角

i

（12

°

、16

°

、20

°

），尾鰭導圓寬度半徑

r

保持不變，得到研究方案對比參見表2和圖7。

表2 不同去流角的方案

圖7 0.8R水線處不同去流角方案對比圖

表3 去流角i對伴流及阻力的影響

圖8 不同去流角（i）對槳盤0.7R處伴流分數的影響

4.2 尾鰭導圓半徑的影響分析

基于對雙尾鰭特征參數的分析，為探究尾軸上端0.8

R

水線處尾鰭導圓半徑

r

對船尾伴流及阻力的影響，在其他船型參數保持不變的基礎上，僅改變尾鰭導圓半徑

r

（0.02

D

、0.04

D

、0.08

D

），尾鰭去流角

i

保持16

°

不變，即可得到研究方案，如表4和圖9所示。

表4 不同尾鰭導圓半徑r方案

圖9 0.8R水線變尾鰭導圓半徑方案對比圖

圖10 不同尾端半徑（r）對槳盤0.7R處伴流分數的影響

表5 尾鰭導圓半徑r對伴流的影響

另外，根據現有試驗數據分析，隨著特征參數

i

與

r

的增加，對船尾伴流場的影響呈變大的趨勢。尾鰭導圓寬度的改變對伴流均勻度的影響較去流角的變化大，尾鰭去流角

i

的改變對船模阻力性能的影響較尾鰭導圓半徑

r

的改變大。

4.3 槳盤距尾軸距離的影響分析

表6 槳盤距離尾軸距離對伴流的影響

圖11 槳盤與尾軸距離對槳盤0.7R處伴流分數的影響

5 結 論

以某雙尾鰭滾裝船為研究對象，采用CFD方法，通過研究去流角、尾鰭導圓寬度、槳盤距尾軸的距離對船尾伴流及阻力性能的影響，對雙尾鰭型線進行優化，獲得以下主要結論：

（1）根據與模型試驗的對比，應用CFD方法對雙尾鰭船尾伴流及阻力進行預報的精度較高，能比較精確的預報伴槳盤面的伴流軸向速度、伴流峰值、峰值點所在位置和船模阻力與試驗結果吻合較好。

（2） 雙尾鰭尾軸以上0.8

R

處的尾鰭去流角、尾鰭導圓半徑對船尾伴流及阻力的影響較大，當二者參數值變大時，船尾伴流分數值

w

變大，該現象在槳盤面±40

°

范圍內更加顯著，槳盤面的伴流均勻度也會變差；從差值角度分析，特征參數

i

、

r

的變化對船尾伴流均勻度的影響程度較平均伴流大，且尾鰭導圓厚度變化對伴流均勻度的影響程度較尾鰭去流角敏感。

（3）綜合分析尾軸以上0.8R處的尾鰭去流角與尾鰭導圓寬度對船尾伴流和阻力的影響，當尾鰭去流角與導圓半徑分別取16°、0.04D時相對較優。

（4）槳盤面適當后移可改善伴流均勻度。

通過研究，尾鰭參數的改變會導致伴流均勻度的變化，但未考慮螺旋槳的作用。在后續工作中，將從船與槳的角度研究不同尾鰭參數下伴流場對螺旋槳推進性能的影響。