張文山，盧曉平

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢 430033)

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水面艦船可調(diào)型球艏設(shè)計(jì)與分析

張文山，盧曉平

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢 430033)

考慮到固定式球艏對(duì)船舶減阻能力隨航速變化敏感，為了避免固定式球艏在兼顧多個(gè)航速下減阻的局限性，提出可調(diào)型球艏設(shè)計(jì)思路，依托CFD軟件STAR-CCM數(shù)值模擬對(duì)可調(diào)型球艏設(shè)計(jì)方案構(gòu)想進(jìn)行理論驗(yàn)證，根據(jù)阻力對(duì)比和優(yōu)化確定球艏靜態(tài)參數(shù)，根據(jù)波形計(jì)算和比較確定球艏動(dòng)態(tài)參數(shù)。通過(guò)靜態(tài)參數(shù)的建立和動(dòng)態(tài)參數(shù)的預(yù)報(bào)，將可調(diào)型設(shè)計(jì)方案具體化。計(jì)算結(jié)果顯示，可調(diào)型球艏能夠?qū)崿F(xiàn)低速階段不增速，中高速階段減阻顯著的目標(biāo)。

可調(diào)型球艏；DTMB5415船型；球艏構(gòu)型參數(shù)；興波阻力；波形分析

球艏減阻研究一直是船舶水動(dòng)力研究的熱點(diǎn)，模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算均表明球艏對(duì)于減小船舶興波阻力的潛力巨大，設(shè)計(jì)優(yōu)良的球鼻艏具有較好的減阻效果，能夠很好地改善船舶運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性。球艏研究一般著眼于球艏構(gòu)型的優(yōu)化[1-2]，基于數(shù)值計(jì)算的球艏阻力性能預(yù)報(bào)[3]和基于船型試驗(yàn)的波形測(cè)量分析等方面，目前多是針對(duì)固定式球艏。但傳統(tǒng)固定式球艏在兼顧多個(gè)航速條件下減阻具有一定的局限性，低速條件下甚至?xí)龃蟠白枇?，由此引入可調(diào)型球艏的提法?？烧{(diào)型球艏設(shè)計(jì)旨在通過(guò)對(duì)球艏縱向位置進(jìn)行調(diào)整，來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)航速下較好的減阻效果的目的，而克服固定式球艏減阻速度區(qū)間和減阻幅度受限的不足。本文即采用CFD數(shù)值模擬手段，以現(xiàn)有固定式球艏研究成果為基礎(chǔ)，開(kāi)展球艏構(gòu)型參數(shù)對(duì)于水面艦船阻力性能影響和機(jī)理的分析，基于前伸型球艏的減阻優(yōu)勢(shì)，提出以建立合理靜態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)參數(shù)為手段的可調(diào)型球艏設(shè)計(jì)方案。

1 可調(diào)型球艏設(shè)計(jì)方法

可調(diào)型球艏(見(jiàn)圖1)的設(shè)計(jì)依據(jù)興波阻力的產(chǎn)生和削減的特點(diǎn)，以球艏減小興波阻力的機(jī)理為基礎(chǔ)，即一定強(qiáng)度的球艏波與船體波因相位差異而相互消減。設(shè)計(jì)方案強(qiáng)調(diào)“低速階段不增阻，中高速階段減阻顯著”的原則，通過(guò)球艏參數(shù)化建模的過(guò)程，將球艏構(gòu)型參數(shù)劃分為靜態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)。

圖1 可調(diào)型球艏結(jié)構(gòu)示意

球艏參數(shù)的設(shè)置與主船體構(gòu)型密切相關(guān)，一般會(huì)明顯影響球艏減阻性能的參數(shù)有球艏在船體坐標(biāo)系中的空間位置、球艏的尺寸、形狀和體積分布，球艏與船體的連接方式與參數(shù)間的合理配置也十分重要。考慮到可調(diào)型球艏具有大前伸的構(gòu)型，需要通過(guò)球艏參數(shù)化建模統(tǒng)一球艏加裝的標(biāo)準(zhǔn)。

可調(diào)型球艏的靜態(tài)參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)能夠準(zhǔn)確地描述球艏端部部分的幾何尺寸、幾何形狀和橫截面A的形狀。球艏靜態(tài)參數(shù)的選擇是可調(diào)型減阻球艏設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[4]。為簡(jiǎn)化流程，球艏選為圓球艏，球艏半徑為球艏靜態(tài)參數(shù)。通過(guò)阻力計(jì)算建立球艏靜態(tài)參數(shù)。

在兼顧減阻效果的需要和球艏可調(diào)方案實(shí)施的可行性情況下，動(dòng)態(tài)參數(shù)選為球艏前伸量(縱向位置)。球艏縱向位置范圍的取為5%船長(zhǎng)。

如圖1所示，在球艏進(jìn)行可調(diào)型變化過(guò)程中，靜態(tài)參數(shù)不變。動(dòng)態(tài)參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行實(shí)時(shí)變化，動(dòng)態(tài)參數(shù)值需要在球艏設(shè)計(jì)時(shí)求得。動(dòng)態(tài)參數(shù)預(yù)報(bào)的方法是在靜態(tài)參數(shù)滿足了必要的波幅強(qiáng)度以及不考慮球艏興波和船體興波相互干擾的條件下，調(diào)節(jié)球艏縱向位置使2組興波的相位差能夠盡量滿足峰谷相遇的理想狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)球艏消波減阻功能。

2 參數(shù)化建模與阻力計(jì)算

2.1 球艏構(gòu)型參數(shù)化設(shè)計(jì)

船體主尺度比和型線變化對(duì)船體所受的興波阻力產(chǎn)生影響較為敏感，故而在衍生構(gòu)建球艏構(gòu)型時(shí)，應(yīng)該有統(tǒng)一的幾何尺度標(biāo)準(zhǔn)，安裝位置規(guī)范統(tǒng)一，以保證模型規(guī)范且簡(jiǎn)便易行。

在進(jìn)行球艏構(gòu)型建模時(shí)，球艏對(duì)阻力特性影響較大的主要幾何參數(shù)和要素概括如下。

1)球艏縱向位置。指球艏在船體坐標(biāo)系中的具體位置，通過(guò)球艏前伸量控制。

2)垂向位置。指球艏中心軸線距水線面的垂向距離，本文選取原則為球艏下邊緣與船體底部延長(zhǎng)線相切[5]。

3)球艏半徑或尺寸。球艏端部半徑。

4)球艏與主船體連接方式。球艏與船體間有光順圓柱貫穿式連接。

一般而言，橫截面面積和球艏長(zhǎng)度決定了球艏體積的相對(duì)大小[6]，在長(zhǎng)度一定的情況下，橫截面面積能夠影響球艏波的強(qiáng)度，而長(zhǎng)度主要是影響球艏波的相位。故而在減阻球艏參數(shù)設(shè)置的研究方面，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮影響球艏波強(qiáng)度的球艏半徑和影響球艏波初相位的球艏縱向位置的減阻特征。

2.2 阻力計(jì)算

對(duì)計(jì)算船型按工程應(yīng)用中處理高速水面艦船興波阻力系數(shù)最常用的傅汝德方法，采用剩余阻力作為興波阻力的表征，認(rèn)為二者近似相等。

(1)

式中：Cw為興波阻力系數(shù)；Cr為剩余阻力系數(shù)。

阻力系數(shù)采用工程中常用的定義，即

(2)

式中：Rw為興波阻力；Rr為剩余阻力；ρ為水密度；υ為流體運(yùn)動(dòng)粘度；S為模型濕表面積。

3 可調(diào)型球艏參數(shù)確定

可調(diào)型球艏設(shè)計(jì)方案示例圍繞標(biāo)準(zhǔn)船模DTMB5415展開(kāi)，該船模長(zhǎng)5.72 m、寬0.76 m，吃水0.248 m，其母型為美國(guó)現(xiàn)役阿里·伯克級(jí)驅(qū)逐艦，模型縮尺比24.825。在利用建模軟件構(gòu)建出DTMB5415原型之后，衍生和構(gòu)建出一系列改型球艏模型，并利用建模軟件生成相應(yīng)的船型[7]。

3.1 模型建立

[4]，通過(guò)Matlab編程最終得出理論最佳圓球艏半徑，如圖2所示。圖2中最佳球艏半徑系按巡航速度確定數(shù)值[8]，球艏前伸量(縱向位置)結(jié)合以往研究結(jié)果、建造工藝和目標(biāo)船型使用特性確定[9-10]，為獨(dú)立輸入?yún)?shù)。

圖2 DTMB5415最佳球艏半徑

在進(jìn)行球艏參數(shù)選型時(shí)，構(gòu)建的幾組改型球艏需在削去聲吶導(dǎo)流罩的基礎(chǔ)上加裝，如圖3所示，加裝以后如圖4所示。幾組衍生的改型球艏半徑見(jiàn)表1。

圖3 計(jì)算模型DTMB5415G

圖4 計(jì)算模型DTMB5415改型

3.2 靜態(tài)參數(shù)建立

可調(diào)型球艏的可調(diào)機(jī)制基于球艏靜態(tài)參數(shù)的合理設(shè)置。球艏靜態(tài)參數(shù)影響球艏橫截面面積及其在垂向和橫向2個(gè)方向的面積分布。

對(duì)比不同半徑圓球艏對(duì)阻力的影響見(jiàn)圖5、圖6，其中圓球艏的縱向伸長(zhǎng)量相同[11]。

表1 改型球艏半徑

DTMB5415 exp.為試驗(yàn)值，DTMB5415 cal.為數(shù)值計(jì)算值圖5 改型和母型總阻力系數(shù)對(duì)比

圖6 改型和母型剩余阻力系數(shù)對(duì)比

對(duì)比原型和改型的阻力曲線，顯然，隨著球艏半徑變小而引起的減阻效果變化明顯。綜合分析低速和中高速階段的減阻效果，得出改型DTMB5415 13船型得減阻效果最好。同時(shí)滿足多個(gè)航速條件的最佳球艏半徑取值范圍為r=0.075～0.095 m。

在給定航速條件下，不同球艏靜態(tài)參數(shù)會(huì)引起球艏興波波幅的差異。其中球艏興波的波長(zhǎng)與航速有關(guān)，球艏波形相位的不同是由于球艏縱向位置有關(guān)。在給定航速條件下，不同球艏靜態(tài)參數(shù)會(huì)引起球艏興波波幅的差異。對(duì)改型DTMB5415 13球艏的端部部分單獨(dú)建模，對(duì)不同速度條件下的首部波形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，見(jiàn)圖6。選取速度分別為v1=2.079 m/s(對(duì)應(yīng)母型船F(xiàn)r=0.28)，v2=2.395 m/s(對(duì)應(yīng)母型船F(xiàn)r=0.32)和v3=3.071 m/s(對(duì)應(yīng)母型船F(xiàn)r=0.41)。

圖7 獨(dú)立球艏14B在3個(gè)速度條件下的興波比較

獨(dú)立球艏14B在不同速度條件下的興波比較見(jiàn)圖7。圖7表明，球艏形成的表面自由波中橫波的波長(zhǎng)與在水中的航速相關(guān)。在不排除數(shù)值計(jì)算存在壞點(diǎn)的情況下，對(duì)球艏興波波長(zhǎng)進(jìn)行預(yù)估。v1=2.079 m/s時(shí)，球艏興波的波長(zhǎng)約為1.5 m；v2=2.395 m/s時(shí)，波長(zhǎng)為2.0 m；v3=3.071 m/s時(shí)，波長(zhǎng)為3.0 m。波長(zhǎng)隨著速度的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.3 動(dòng)態(tài)參數(shù)預(yù)報(bào)

選取前述減阻效果較好的球艏構(gòu)型DTMB5415 13作為動(dòng)態(tài)參數(shù)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。球艏縱向位置的調(diào)節(jié)范圍取為船長(zhǎng)的5%，故而球艏的縱向坐標(biāo)取值范圍為[2.860 m,3.146 m]。為便于觀察和操作，波形對(duì)比選用的坐標(biāo)系為球艏坐標(biāo)系，球艏中心處的縱坐標(biāo)值為0，該坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系橫坐標(biāo)軸重合，豎坐標(biāo)坐標(biāo)軸平行。球艏的垂向位置選取原則與前文一致，即位置靠下的球艏水平切面的與船底相切。

對(duì)球艏和船首的興波應(yīng)用小振幅波假設(shè)，通過(guò)余弦函數(shù)對(duì)船體興波和球艏興波進(jìn)行表達(dá)，建立隨船坐標(biāo)系，將船體波面方程簡(jiǎn)化寫(xiě)作

(1)

式中：A為波幅；ε為相位角；k(k=U2/g，其中:U為波速)為波數(shù)。

球艏在船體之前，二者之間的縱向距離相隔l，理論上假設(shè)2個(gè)干擾源引起的表面自由波波幅強(qiáng)度近似一致，波長(zhǎng)相等，但相位相差剛好整個(gè)半波長(zhǎng)。球艏波的波面方程表達(dá)為

(2)

二者疊加后波面方程表達(dá)為

(3)

由和差化積公式可得

(4)

由此得到合成波系的最大波幅為

(5)

其中，波數(shù)k跟船舶在水中的航速有關(guān)，故合成波系只與球艏和船體縱向距離l以及船舶航速有關(guān)。在航速一定時(shí)，球艏的縱向位置決定了合成波系的波幅。球艏初始距離，即初始伸長(zhǎng)量為l0，可調(diào)范圍為[0,Δlmax]，在實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程中的伸長(zhǎng)量為Δl，則有

(6)

能夠?qū)崿F(xiàn)合成波系最佳消波的條件在理論上需要同時(shí)滿足

(7)

計(jì)算得到速度v1條件下的最佳Δl1=0 m，速度v2條件的最佳Δl2=0.10 m，速度v3條件的最佳Δl3=0.06 m,據(jù)此對(duì)主船體位置進(jìn)行平移，由于13B球艏的波幅較小，引入等波長(zhǎng)的球艏11B，對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖8 球艏波形與船體波形對(duì)比

由圖8和以上分析可見(jiàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)橛锌烧{(diào)范圍的限制，并不能完全實(shí)現(xiàn)滿足船首波與球艏波的恰好相消。產(chǎn)生這種問(wèn)題的主要原因如下。

1)受限于球艏的結(jié)構(gòu)特征，動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)很難實(shí)現(xiàn)球艏波形與主船體波形充分相消。同時(shí)，據(jù)各類優(yōu)化方法和手段對(duì)靜態(tài)參數(shù)的優(yōu)化，很難實(shí)現(xiàn)靜態(tài)參數(shù)最優(yōu)。

2)隨船舶航速發(fā)生變化，球艏興波波長(zhǎng)相應(yīng)改變，但波長(zhǎng)和波長(zhǎng)變化的量級(jí)尺度較大，相對(duì)而言尺度較小的動(dòng)態(tài)參數(shù)(縱向位置)可調(diào)范圍難以適應(yīng)球艏與主船體波形相位差的變化，可調(diào)范圍難以滿足需要。

3)動(dòng)態(tài)參數(shù)(縱向位置)變化的減阻效果的論證和預(yù)報(bào)較為復(fù)雜，難以獲得精度很高的結(jié)果，模型試驗(yàn)條件，數(shù)值模擬計(jì)算和理論分析計(jì)算的精度都難以保證，減阻和消波效果難以精確評(píng)判。

4 結(jié)論

利用球艏與船體波形疊加相消的減阻原理，提出了縱向可調(diào)型球艏設(shè)計(jì)思路，以適用于大排水量球艏船型的減阻研究，具有一定的理論意義和應(yīng)用前景。不同于以往的研究，可調(diào)型球艏方案不局限于固定式球艏的減阻構(gòu)型優(yōu)化，而從球艏減阻機(jī)理入手，靈活地改善球艏減阻特性。但由于波長(zhǎng)隨航速變化尺度大于可調(diào)球艏調(diào)節(jié)范圍尺度，可調(diào)球艏船型方案具有一定的局限性。但這并不影響可調(diào)型球艏為改善固定式球艏減阻效果提供可行性方案。后續(xù)的研究中建議增加相應(yīng)的模型試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證分析。

參考文獻(xiàn)

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Investigation of Adjustable Bulbous Bow on Waving-making Resistance of Surface-ship

ZHANG Wen-shan, LU Xiao-ping

(Dept. of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Because of the sensibility of stationary bow for resistance reducing with the speed change, a design scheme of adjustable bulbous bow was proposed to overcome the shortness of resistance reducing for different speeds. It was certified by numerical simulation utilizing CFD software STAR-CCM, and all of the parameters concerning to adjustable design were split up into static parameters and dynamic ones. Through setting the static parameters and predicting the dynamic parameters, the scheme of adjustable bulbous bow was materialized, and the design can achieve the preset goal with no adverse effect in low speed and remarkable effect of resistance reduction in medium and high speed.

adjustable bulbous bow; DTMB5415; configuration parameters; wave resistance; flow analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.004

2016-10-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51609253)

張文山(1991—)，男，碩士生

研究方向：艦船流體動(dòng)力性能

U662

A

1671-7953(2017)04-0015-05

修回日期：2016-11-25