基于CFD 技術的穩定鰭對某噴泵高速船航速的影響分析

李玉芬 ，謝光能

（1.廣州星際海洋工程設計有限公司，廣州511462；2.英輝南方造船（番禺）有限公司，廣州511430）

1 前言

一般情況下，高速船為了獲得較高的航速，減小船舶的航行阻力，船舶的排水量和吃水一般相對較小，造成了船舶在高速航行時，風、浪、流等因素對船舶的影響也較大。依靠噴水推進的高速船，當風、浪、流的方向與船舶航向不一致時，船的航行穩定性較差，甚至船舶建造過程中產生的左右舷線型非對稱誤差，也會影響高速船的航行穩定性。此時，為了保持船的航行穩定性，需要船員頻繁操舵，給船員帶來較大的心理壓力，也給船舶的航行安全帶來了隱患；此外，航行穩定性較差的船舶會消耗更多的燃料，降低了船舶的經濟性。

縱向穩定鰭（見圖1）可以有效改善噴泵高速船高速航行時的操縱性能，減少船員的操舵次數，并具有一定的減搖作用。同樣，縱向穩定鰭的安裝也會對高速船航行阻力產生影響，研究縱向穩定鰭的安裝對高速船航行阻力的影響尤為必要。

圖1 縱向穩定鰭

模型試驗是預估船舶水動力性能的傳統方法，但模型試驗成本較高、試驗周期較長。近年來一種新的模擬分析方法快速發展并被廣泛應用，即CFD 模擬分析方法，其速度快、耗費低。本文運用CFD 技術對實船進行數值模擬。

2 控制方程和湍流模型

本文采用CFD 模擬分析軟件STAR-CCM+對計算數值進行求解，對自由表面采用VOF 方法進行網格加密。VOF 方法是一種成熟的自由液面捕捉方法，基于控制體而非系統，也就是追蹤網格體積而不是流體微元的變化，計算量小、精度高，并容易實現在計算自由面折疊、自由面入水這種很強的非線性問題時具有很大優勢；對RANS 方程數值的離散，采用有限容積法。

在模擬分析中，采用 k-ε 模型進行對 RANS 方程的封閉，適用于計算雷諾數高的高速船的阻力計算,具有較高的可信度和高精度。

經模擬后的ε 方程為：

結合船舶重量以及重心縱向坐標，分別計算船舶在安裝縱向穩定鰭前后不同航速的航行阻力，針對船舶模型的計算，增加了動態體驅動（DFBI）的輸入與定義。

3 船-穩定鰭相互干擾水動力性能的求解

某高速船為一艘航行于我國沿海航區的高速鋁合金深V、單體工作船，具有時尚美觀的流線造型，主要用于接待、交通等任務。船的外觀見圖2。

圖2 船的外觀

3.1 計算模型

船舶主要參數見表1；穩定鰭的安裝定位見圖3、圖4；計算模型按照有無穩定鰭如圖5、6 所示；穩定鰭的主要參數見表2；穩定鰭的三維模型見圖7。

表1 該計算船舶的主要參數

圖3 穩定鰭的安裝（縱向）1

圖4 穩定鰭的安裝（橫向）2

圖5 帶有穩定鰭的計算模型

圖6 無穩定鰭的計算模型

表2 縱向穩定鰭主要參數

圖7 縱向穩定鰭的三維模型

3.2 自由度模型

應用六自由度運動模型求解艇體水面航行過程中的自由度運動。計算采用兩個坐標系求解六自由度方程：一個為初始坐標系，另一個為非初始坐標系；初始坐標系統定義在地球或者是相對地球勻速運動的物體上，非初始坐標系統定義在艇體上；在計算過程中，初始坐標系一直是保持不變的；在計算的初始階段，地球坐標系的原點設置在艇體的重心位置，艇體坐標系的原點始終在船體的重心位置，本文所有計算都是基于速度為零的地球坐標系統。

在六自由度模型中，η=（η1，η2）=（x, y, z,φ,θ,ψ）是地球坐標系中物體位移變量和旋轉角，分別對應縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖及首搖。船舶慣性矩越大，其相對搖晃周期就越長，且影響船體航線過程中的阻力；慣性矩影響搖晃的中間過程，重心位置決定最終船舶穩定狀態，可以通過慣性矩的設定讓數值收斂更快，從而更快和精準地分析出船舶的阻力數值。

3.3 網格劃分

隨著升沉和縱傾幅度的增大，普通的動網格方法如網格變形方法和網格再生方法會出現網格的異常變形和網格重新生成的低效率問題。本計算中，采用重疊網格來提高升沉和縱搖自由度運動的模擬精度和效率。重疊網格又叫嵌套網格，重疊網格方法通常需要一個靜態網格（背景網格）和一個或多個包含描述移動幾何的表面的重疊網格；嵌套在解決CFD 值計算的兩相流的自由液面網格具有很高的分辨率，突破了艇在高速航行大幅度運動時的網格具有的局限性，非常適合高速船的航行模擬計算，其網格的自動生成能提高網格自動化程度和復雜模型的適應程度，具有較高的計算效率。

本文計算模型采用CFD 軟件STAR-CCM+對該船的網格進行劃分, 設定 Overlap Zone Mesh Refinement、Kelvin Wave、Free surface Fine、Free surface Fine2 等多個自由頁面加密區對該計算模型進行加密，采用Overlap嵌套船體，流體域background 尺寸為：在Y 方向上，由艇體中心線向左舷和右舷各延1 個艇體長；在X 方向上，首部超過船長1 個艇體長度，尾部至艇體尾封板長度為4 個艇體長；在垂直方向上，往上由吃水線向上再延0.5 倍艇體長度，往下由船的基線再往下延1倍艇體長度；整個流體域內部的流體為不可壓縮的，其運動滿足連續性方程和動量守恒方程，它的湍流模式采用K-Epsilon Turbulence 模型；增長率選1.5，最終生成網格數約為387 萬。該船沿著船長方向往前航行，水線處進流角非常小，因此前部未形成較大的首波，首部可一個艇體長度，但由于航速較高尾部興波較強，所以流場尾端需要較長延深，為4 個艇體長。

3.4 流場邊界條件

計算模型邊界條件分為6 個部分：對稱面（船中）；壁面（船左側）；壓力出口（船后側）；速度入口（船前及上下側）。

速度入口處給定來流速度，來流的壓力設為0，壓力出口的靜壓力也設為0，壁面為光滑不可穿透的壁面。

3.5 結果分析

本文主要研究縱向穩定鰭的安裝對船舶航行阻力的影響，故選取特定的兩鰭組合，穩定鰭的橫向位置、舷長、展長、最大厚度和水平面的投影面積保持不變。船-穩定鰭相互干擾的水動力性能計算模型，與無穩定鰭時的水動力性能計算模型的計算域、網格劃分方法和數值求解方法完全一致，以保證消除因計算模型和計算方法差異帶來的誤差。

數值計算時，船模速度Vs 分別取4、6、8、10、12、14、16、 18、 20 、22、24、28、 30、32、34、36 kn，根據航速V 模擬計算得出阻力R。

根據計算結果，分別繪制航速4.0～20 kn 和20.0～36.0 kn 阻力與航速的相關曲線，見圖8 和圖9所示。

圖8 航速4.0 ～20.0 kn 時航速與航行阻力曲線

圖9 航速20.0 ～36.0 kn 時航速與航行阻力曲線

穩定鰭屬于船舶的附體，安裝在水線以下較深的位置。穩定鰭沿著船長方向安裝會增加一部分粘壓阻力和摩擦阻力，以及少量附體與船體之間的干擾阻力，所以需要模型實驗或者CFD 計算來確定該附體所增加的阻力。通過CFD 模擬計算得出的結果（圖5、6）可以看出：航速在4 ～20 kn 時，安裝縱向穩定鰭后阻力變化較小，增加的阻力值在1.5 kN 以內；航速在20 ～30 kn 時安裝穩定鰭后阻力變化較大，在Vs=30 kn 時增加阻力值為3.4 kN,增量為2.49%，航速大于30 kn 時，隨著航速的增加阻力的增量不斷加大，在Vs=36 kn 時阻力增加了9.6 kn,增量為5.53%。由此得出：安裝穩定鰭后，高速船在低航速階段阻力增加有限；在高速階段阻力隨著航速的增加而影響變大。通過實船驗證可以發現CFD 方法預報的準確性，如表3所示。

表3 CFD 模擬數值與實船數據對比

4 結語

根據以上的計算結果，可以得出以下結論：對于40 m 左右的噴泵高速船，中低速階段（航速小于20 kn）縱向穩定鰭的安裝對航速影響很小；中高速階段對航速影響較大，且隨著航速增加對航速的影響變大；穩定鰭可以改良船舶的航向穩定性，但也會增加船舶的航行阻力，需要綜合考量；應用CFD 技術對實船進行模擬計算的結果與實船航行試驗的結果相差很少，說明了該方法的可行性，為后續此類問題的計算分析提供了一種解決問題的方法。