基于COMSOL 的船體增阻板可行性分析

胡 健，黃鑫偉

（重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074）

0 引言

船舶在船廠修建完畢后，會通過滑軌下水。在這一過程中，滑行過快或滑行距離過遠均會造成安全隱患。目前，船廠主要通過拋錨增加下水船舶的阻力，但這會對錨鏈和船舶造成一定損傷，船舶也極有可能因錨鏈的拉扯而產生運動失控。針對特定情況下的增阻需求，薛琳等[1]和朱鵬飛[2]提出在船舷兩側安裝增阻板以增大船舶阻力。考慮到雷諾平均N-S 方程能較好解決船體的綜合水動力問題[3-5]，本文采用RANS 法計算無增阻板和有增阻板等2種情況下的船舶阻力，探討增阻板的作用效果和機理，并分析流固耦合[6]作用下船體和增阻板的受力和位移情況。

1 船型與計算方法

本文計算模型為Wigley 船模，僅考慮水下增阻板的作用效果，船體參數見表1，計算工況設置情況見表2。

表1 船體參數

表2 計算工況

利用COMSOL 軟件對船體和水池進行參數化建模，船模和水池的參數與參考文獻[7]保持一致，Wigley 船模和計算區域分別見圖1 和圖2。

圖1 Wigley 船模

圖2 計算區域

1.1 經驗公式法

如式（1）和式（2）所示，通過國際拖曳水池會議（International Towing Tank Conference，ITTC）公式計算摩擦阻力因數，通過巴甫米爾近似公式求解黏壓阻力因數，最后通過阻力因數與阻力的換算關系得到阻力值。

式（1）和式（2）中：Cf為摩擦阻力因數；Cpv為黏壓阻力因數；Re 為雷諾數；Am為中橫剖面面積；S為濕表面積；Lr為去流段長度。

不同工況下船舶阻力經驗值見表3。

表3 船舶阻力經驗值

1.2 數值模擬

由文獻[7-9]可知，RNG k-ε湍流模型能較好地處理船體彎曲程度較大的流場，其得到的船舶阻力更符合實際情況。因此，本文在計算按時采用RNG k-ε湍流模型。

1.2.1 計算區域與網格劃分

采用COMSOL 軟件生成網格，由于計算域具有高度對稱性，故選用計算域的一半用于研究。為便于劃分網格，將計算域分為12 個部分。網格劃分采用結構網格和非結構網格相結合的方式，能在提高計算效率的同時得到真實值[7]。遠離船體的計算域采用結構化網格，船體及附近區域采用非結構網格。為得到增阻板實際的作用效果，對船體彎曲部位和增阻板的表面進行細化處理。網格劃分情況見圖3。

圖3 網格劃分情況

1.2.2 仿真結果

為驗證數值模擬的可靠性，對不設增阻板的船體進行阻力預報，結果見表4。壓阻力和黏性阻力的變化規律符合真實情況，黏性阻力的平均占比達81%。

表4 船舶阻力數值計算值

1.3 結果對比

經驗值與模擬值對比情況見圖4，兩者具有較高的一致性，這說明COMSOL 軟件在船舶阻力估算方面具有一定的可靠性。

圖4 經驗值與模擬值對比

2 設有增阻板船體的阻力預報

2.1 增阻板介紹

設有增阻板的船體模型見圖5，為提高建模效率和計算效率，本文在不影響增阻板效果的前提下 簡化增阻板，并保留一定的細節。增阻板采用結構鋼，具體參數見表5。

圖5 設有增阻板的船體模型

表5 增阻板參數

2.2 網格無關性檢驗

以Fr=0.25 時的阻力值為指標進行網格無關性驗證，阻力值隨網格數量的變化關系見圖6。當網格數量在100 000 以上時，阻力趨于穩定。

圖6 Fr=0.250 時的阻力值

2.3 增阻效果

水流繞過船體和增阻板后，其流速和壓力分布情況分別見圖7 和圖8。當水流流經增阻板和船體時，增阻板后方會產生旋渦，這會導致負壓區的出現，進而增大船體阻力。

圖7 流速分布情況

圖8 壓力分布情況

由表6 和圖9 可知，在加裝增阻板后，船體所受阻力迅速增加。其中，壓阻力增長幅度快于黏性阻力，這是由于增阻板前后壓力的變化導致。當Fr=0.45 時，阻力由4.937 N 增加至80.538 N，增阻率為1 531%，平均增阻率為1 463%，增阻效果良好。船體阻力的快速增加能有效避免下水船舶滑行過遠或過快導致的通航安全問題。

表6 船舶阻力數值計算值（設增阻板）

圖9 增阻前后總阻力對比

2.4 應力應變分析

為確保增阻板結構穩定、船體結構安全，計算不同工況下設有增阻板的船體在繞流場中的應力和 變形情況。應力云圖和位移云圖分別見圖10 和圖11，各工況的最大應力和最大位移見表7。

表7 最大應力及最大位移仿真結果

圖10 應力云圖

圖11 位移云圖

由圖10 可知，增阻板與船體接觸的上邊緣受力最大，增阻板與船體連接部位應力較大。隨著Fr增大，應力值逐漸增大。建議對連接部位做加強處理，可考慮采用加強筋等措施緩解船體所受拉力。由圖11 可知，隨著Fr 增大，遠離船體邊緣的增阻板外側位移逐漸增大，符合實際情況。當Fr=0.45時，增阻板最大位移也僅為1.354×10-5m，故在一定工況內，水流不會使增阻板變形過大。

3 結論

本文采用RANS 法探究增阻板的增阻效果，并分析流固耦合作用下增阻板的應力和位移情況，可得到以下結論：

1）采用RNG k-ε湍流模型得到不同航速下船舶阻力變化規律，經驗值與模擬值具有較高的一致性。

2）船舶安裝增阻板后，船模所受的阻力呈線性增加，增阻板在提高船舶阻力方面效果顯著，能有效限制船體滑行速度和距離，提高了船舶下水的安全性。

本文通過探討設置增阻板的可行性，分析不同航速下增阻板對船舶阻力的影響，研究成果可為特定情況下的船舶增阻研究提供一定參考。