散貨船上層建筑空氣阻力研究與設計優化

劉 貝

(新世紀船舶設計研發(上海)有限公司，上海201203)

0 引言

當前全球碳減排工作正在積極推進，對于航運業減碳的要求也越來越高。航運業短期減排措施包括完善能源效率框架、研發提高能效的技術、優化船舶速度、制訂能效指標、研發替代性低碳或零碳燃料等，因此造船企業推出了各種類型的節能減阻裝置，如：球鼻艏、舵球、轂帽鰭、導流罩等，以減小船舶水下部分阻力。目前，這些節能減阻裝置已經在各類型船舶上普遍應用[1]。

由于空氣阻力占總阻力比例較小，船舶上層建筑設計時通常較少考慮空氣阻力的影響，但是當其他減阻措施都已經使用后，為進一步優化設計，減小船舶上層建筑空氣阻力成為一個重要優化方向。陳前昆等[2]對船舶風載荷研究進展和發展趨勢進行了概述，提出上層建筑優化應使氣流在迎風面和側風面角隅處盡量減少分離，保持流向一致性。蔡文山等[3]以5萬t油船為研究對象，分析了不同迎風面構型上層建筑的風阻情況，但未對構型的不同參數影響進行分析。本文以82 000 t散貨船為研究對象，研究不同形狀參數變化(如前壁切角尺寸或圓角半徑大小)對上層建筑空氣阻力的影響。

1 船舶空氣阻力計算方法

普通船舶水線以上部分所受的空氣阻力包括摩擦阻力和粘壓阻力。由于空氣密度和粘性系數都很小，因此摩擦阻力所占比例極小，船舶空氣阻力主要為粘壓阻力。空氣阻力與船舶水上部分外形及風的相對速度和大小有關，它可由下式計算：

(1)

式中：Ra為空氣阻力，N；Ca為空氣阻力系數；ρa為空氣質量密度，ρa=1.226 kg/m3；At為船體水線以上部分在橫剖面上的投影面積，m2；νa為空氣相對船的速度，m/s[4]。

從式(1)看出：空氣密度是常數，在速度一定的情況下通過減小受風面積At可以減小空氣阻力[5]；也可以通過改變上層建筑的外形特征(如切角、倒圓角等)減小阻力系數Ca和空氣阻力。

2 82 000 t散貨船上層建筑外形演變過程

目前市場的主流82 000 t散貨船屬于卡爾薩姆型靈便型貨船，其主要參數為：總長229.00 m，型寬32.26 m，設計吃水14.50 m，設計航速約14.2 kn。第一代82 000 t散貨船于2012年前后推出，到目前已經歷過多次設計迭代，各種設計指標不斷優化，其上層建筑經歷了三代設計優化。

第一代82 000 t散貨船：船長L=11.20 m，船寬B=22.40 m，上層建筑正面投影面積較大，未考慮空氣阻力的影響。

第二代82 000 t散貨船：對上層建筑進行了優化，寬度減小，船長增加。船長L=13.94 m，船寬B=18.26 m，長寬比增大，正面受風面積減小。第二代上層建筑布置合理，是目前使用較多的上層建筑方案。

第三代82 000 t散貨船：對上層建筑在第二代的基礎上進一步優化，即減小寬度，增加長度。船長L=18.4 m，船寬B=11.2 m，長寬比進一步增大，正面受風面積減小至第一代上層建筑的一半，上層建筑內部布置緊湊。

3 上層建筑空氣阻力仿真計算

式(1)中空氣阻力系數Ca包含主船體水線以上部分和上層建筑部分。為研究船舶上層建筑形狀對阻力系數的影響，下文用Cd表示上層建筑部分空氣阻力系數。使用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法計算不同上層建筑外形的阻力及阻力系數[6]。首先使用二維CFD方法，分析上層建筑前端壁切角、倒圓角等形式的變化對阻力系數變化趨勢的影響，總結相應的規律。然后使用三維CFD方法對相關結論進行驗證并進一步優化結構。

計算中假定船舶在無風環境下以最大航速14.2 kn航行，使用穩態方法計算此時上層建筑受到的阻力，并計算出阻力系數Cd。計算過程中，選用k-omega SST湍流模型；求解方式中壓力速度耦合選擇Coupled；邊界條件選用速度進口，給定進口速度和相應參數；出口選用壓力出口，壓力設置為0。

3.1 第一代至第三代82 000 t散貨船上層建筑阻力情況

第一代至第三代82 000 t散貨船上層建筑阻力情況見表1。根據表1可以看出，通過減小上層建筑受風面積，可以顯著降低空氣阻力，同時空氣阻力系數也會變化。第三代上層建筑正投影面積減小一半時，其阻力值減小超過50%。

表1 第一代至第三代上層建筑空氣阻力與阻力系數對照表(二維CFD方法計算)

3.2 上層建筑前壁切角對阻力的影響

對上層建筑前壁進行切角處理，可以改變側壁氣流方向，從而減小空氣阻力，見圖1(a)。

C—切角尺寸；R—圓角半徑。

對不同代次上層建筑前壁進行切角處理，用二維CFD方法分別計算不同切角值對應的空氣阻力變化情況，切角大小與空氣阻力系數的變化趨勢見圖2。從圖中可以看出：隨著上層建筑前壁切角的增大，空氣阻力系數逐步減小，但減小的趨勢越來越平緩。由于切角尺寸增大會使上層建筑的有效使用面積減小并影響艙室布置情況，故切角值不宜過大。

圖2 阻力系數比值隨上層建筑前壁切角大小變化情況

3.3 上層建筑前壁倒圓角對阻力的影響

對上層建筑前壁進行倒圓角處理，可使流線更貼近于艙壁，進而起到減小空氣阻力的作用，圓角示意圖見圖1(b)。

對不同代次上層建筑前壁進行圓角處理，用CFD方法分別計算不同圓角對應的空氣阻力變化情況，圓角半徑大小與空氣阻力系數的變化趨勢見圖3。從圖3可以看出，隨著圓角半徑R的增大，阻力系數Cd呈現減小趨勢；當圓角半徑R與上層建筑總寬度B比值接近0.1時，阻力系數Cd會顯著減小；其后再繼續增大圓角半徑，阻力系數Cd基本不再減小。其原因為在給定風速下，當R/B遠小于0.1時，在側壁處會出現分離現象并產生渦；當R/B接近0.1時，流線已非常貼近上層建筑側壁，即可以認為此時外形已接近流線型，見圖4。

圖3 阻力系數比值隨上層建筑前壁圓角半徑大小變化情況

圖4 第三代上層建筑R=0.1B外部流線示意圖

圖2和圖3中局部阻力系數出現增大的相反趨勢，原因是對應工況計算過程中上層建筑側壁出現規律性的渦分離現象，造成阻力系數周期性變化，圖中阻力系數取值為波動過程中的最大值。

3.4 使用三維CFD方法對上述結論進行驗證

以第三代上層建筑為例，使用三維CFD方法對上述所得出的結論進行計算驗證。首先計算優化前的上層建筑三維模型(即對二維模型H1進行三維化處理，模型代號H3D1)阻力系數情況，其次計算上層建筑前壁不同圓角半徑R(考慮到實際情況，對頂層駕駛室前壁進行切角處理)時的阻力系數。其變化趨勢見圖5。

圖5 阻力系數Cd比值與圓角半徑關系(三維CFD計算)

由圖5可以看出，三維CFD計算結果與上述結論相近，即當圓角半徑R逐漸增大至0.1倍上層建筑寬度時，阻力系數Cd會顯著減小，其后再繼續增大圓角半徑則阻力系數Cd基本不再減小。三維CFD方法計算時，由于上層建筑底部甲板和頂部外形影響，優化后的阻力系數Cd值與優化前比值約為40%。阻力系數減小幅度小于二維CFD計算對應的結果，存在進一步優化的空間。

3.5 對上層建筑駕駛室頂部進行優化

對上層建筑駕駛室頂部前端進行切角和圓角處理，分別計算阻力系數。由于切角或圓角過大會影響駕駛室布置，故選擇駕駛室頂部前端進行切角C=500 mm和圓角R=500 mm計算。優化前后上層建筑中縱剖面壓力分布情況見圖6。

圖6 駕駛室頂端優化前后縱剖面總壓力分布(單位：mm)

從圖6可以看出，優化前駕駛室頂部氣流存在明顯分離現象，優化后分離現象明顯變化。優化前后阻力系數變化情況見表2。

表2 第三代上層建筑駕駛室頂端外形與阻力系數對照表

4 結論

(1)在上層建筑前壁設置圓角R=0.1B。

(2)駕駛室頂部前端設置圓角R=500 mm，可以在對上層建筑布置影響較小的情況下，將該型散貨船第三代上層建筑的空氣阻力系數減小至優化前的34%左右。

(3)在設計航速下，通過三維CFD計算可以得到第一代上層建筑空氣阻力及阻力系數(Cd=1.135)，進而計算得到第一代上層建筑的空氣阻力占全船總阻力(已知模型試驗總阻力)約為1.8%。根據式(1)可以計算出，通過上述方法進行優化后的第三代上層建筑相對于第一代上層建筑空氣阻力減小約82%。假定船舶其他阻力不變，則該方法理論上可以將船舶總阻力減小約1.5%，減阻效果明顯。該優化方法對于降低散貨船燃油消耗、提高設計能效有顯著效果。