祝啟波 曾江易

摘? ? 要：應(yīng)用FINE/Marine軟件對(duì)某水線面大開口船舶阻力進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。計(jì)算船舶船舯開口開啟和封閉狀態(tài)下的船舶阻力及其運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過與模型試驗(yàn)的比較，探討采用數(shù)值計(jì)算方法預(yù)報(bào)船舶阻力的可靠性;分析其流場變化，研究阻力增加的原因，為后續(xù)類似船舶設(shè)計(jì)提供阻力性能參考。結(jié)果表明：數(shù)值預(yù)報(bào)精度滿足工程應(yīng)用的需要，能夠較好地模擬船舶周圍流場的信息，大開口導(dǎo)致的粘壓阻力變化是引起船舶阻力增值的主要原因。

關(guān)鍵詞：水線面大開口;數(shù)值預(yù)報(bào);阻力

中圖分類號(hào)：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Resistance Prediction of Ship With Notch Based on CFD

ZHU Qibo， ZENG Jiangyi

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The numerical simulation software FINE/Marine was applied to predict the resistance performance of a ship with a notch. The resistance performance of the ship is simulated under the opening and closing of the notch to calculate the resistance and movement of the ship. The reliability of CFD used in the prediction is verified by comparing the calculation results with model test results. The change of flow field is analyzed， and the reason of the increase of the ship resistance is studied. The results show that the accuracy of the numerical simulation prediction meets the needs of engineering application and properly reflects the real information of surrounding flow filed. The change of the viscous pressure resistance caused by the notch is the main reason for the increase of the ship resistance.

Key words： Notch; Numerical prediction; Resistance

1? ? ?前言

船舶阻力預(yù)報(bào)對(duì)于提高船舶快速性至關(guān)重要，其主要研究方法有三種：理論方法、試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬。其中，數(shù)值模擬能夠模擬船模試驗(yàn)難以做到的復(fù)雜現(xiàn)象、成本更低，通過CFD方法[1-4]進(jìn)行船舶阻力研究和船型優(yōu)化已越來越成熟。

近年來，為滿足作業(yè)需要，一些船舶會(huì)在其船體水線面開設(shè)大型開口，水線面大開口會(huì)對(duì)船舶的阻力性能產(chǎn)生一定的影響。目前已有部分學(xué)者對(duì)該方面進(jìn)行了研究，石珣[5]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合對(duì)比的方法，研究因船體首部開口及尾部開口引起的阻力變化問題，得到了不同開口尺寸、形狀及位置對(duì)于阻力變化的影響規(guī)律;潘放[6]等分析不同開口類型對(duì)于船體阻力的影響，相比于擁有月池的船，水線面開口對(duì)阻力的增加影響更小。

本文以某船舯大開口船舶為研究對(duì)象，應(yīng)用Fine-Marine軟件對(duì)其阻力進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。計(jì)算船模在不同航速時(shí)的阻力大小，分析其阻力性能，通過與模型試驗(yàn)結(jié)果的比較，探討CFD數(shù)值預(yù)報(bào)的可靠性;結(jié)合其流場變化，研究阻力增加的原因，為后續(xù)同類船型的設(shè)計(jì)和研制提供幫助。

2? ? ?項(xiàng)目模型及網(wǎng)格劃分

2.1? ?網(wǎng)格模型

本項(xiàng)目為某船舯大開口船舶，模型的縮尺比為1：18，其主尺度如表1所示。為滿足作業(yè)需求，在船舯設(shè)置了一個(gè)長×寬×高為8 m x 4 m x 4.2 m 的矩形開口;為研究開口對(duì)于船舶阻力的影響，建立了閉口（船舯無開口）及開口（船舯設(shè)大開口）兩個(gè)計(jì)算模型，如圖1所示。

2.2? ?網(wǎng)格劃分

本文計(jì)算區(qū)域出口取模型如下：尾部向后3倍船長;進(jìn)口取模型首部向前1倍船長;船側(cè)取1倍船長;上方邊界取0.5倍船長;下方邊界取2倍船長。

計(jì)算網(wǎng)格采用全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，由FINE/Marine自帶的HEXPRESS生成。網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)船首尾以及水線面進(jìn)行適當(dāng)加密，以得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果及流場信息;閉口模型及開口模型的網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

2.3? ?求解方法

本文CFD計(jì)算采用剪切壓力傳輸（SST）k-ω模型。對(duì)于動(dòng)量方程和湍流方程，采用AVLSMART格式進(jìn)行離散;對(duì)于自由液面運(yùn)動(dòng)方程，采用BRICS格式進(jìn)行求解。

3? ? 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1? ?網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證

在開始計(jì)算之前，先進(jìn)行網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證。收斂性驗(yàn)證的三套網(wǎng)格數(shù)量，見表2。在網(wǎng)格收斂性計(jì)算中，船體正浮且姿態(tài)固定。對(duì)Fr = 0.307下閉口模型的阻力進(jìn)行計(jì)算（見表2），結(jié)果表明：粗網(wǎng)格的結(jié)果與其他兩套差別較大;中等網(wǎng)格和密網(wǎng)格的結(jié)果相近。在后續(xù)計(jì)算中，均采用中等網(wǎng)格的配置，以減小計(jì)算時(shí)間。

3.2? ?數(shù)值模擬結(jié)果

船模阻力計(jì)算工況依據(jù)船舶的實(shí)際情況進(jìn)行選取。本船設(shè)計(jì)航速為15 kn，選取的航速范圍為12～17 kn，對(duì)應(yīng)傅汝德數(shù)Fr=0.254～0.360。根據(jù)選取的工況對(duì)船模進(jìn)行數(shù)值模擬，得到閉口模型和開口模型在不同航速的阻力值，如表3所示。

從表3可以看出：同一航速下開口模型所受到的總阻力高于閉口模型所受到的總阻力;航速越小，其阻力增值幅度越大。在12 kn時(shí)，開口模型相較于閉口模型，其阻力增值幅度達(dá)到了79.14%;在設(shè)計(jì)航速15 kn時(shí)，開口模型所受總阻力較閉口模型的增值幅度高達(dá)37.85%。

圖3、圖4分別給出了幾個(gè)典型工況下，閉口模型及開口模型自由液面波形分布。從圖中可以看出：CFD數(shù)值模擬下，隨航速的增大波形展開非常明顯;航速越大，首波峰處的波高越大，船尾及其后方的波形變化越復(fù)雜。

3.3? ?計(jì)算結(jié)果比較

船舶在不同航速時(shí)，數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比，見表4所示。從表4可以看出：閉口模型在設(shè)計(jì)航速（Fr=0.317）時(shí)，試驗(yàn)值為27.575 N、數(shù)值計(jì)算值為26.345 N，兩者的誤差為4.67%?？偟膩砜矗]口模型試驗(yàn)結(jié)果要比數(shù)值計(jì)算結(jié)果略高，產(chǎn)生這一誤差的原因，可能是實(shí)際試驗(yàn)時(shí)閉口模型中部開口區(qū)域并未完全水密，開口內(nèi)存在液面，而數(shù)值仿真時(shí)沒有考慮到這一情況;開口模型在設(shè)計(jì)航速（Fr=0.317）時(shí)，試驗(yàn)值為39.190 N、數(shù)值計(jì)算值為36.317 N，兩者的誤差為7.91%，差值較大。產(chǎn)生這一誤差的原因，可能是實(shí)際試驗(yàn)時(shí)開口處的自由液面變化劇烈，波浪不斷飛濺到船模外側(cè)，而數(shù)值仿真中由于計(jì)算需要在開口頂部設(shè)置了一道墻壁，波浪會(huì)遇到墻壁反射，數(shù)值仿真和實(shí)際模型試驗(yàn)在運(yùn)動(dòng)條件上存在一定的差異而產(chǎn)生誤差。總體來說，本文采用的數(shù)值計(jì)算方法能夠比較有效的預(yù)報(bào)水線面大開口船舶的阻力性能。

表4? 模型阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比

圖5、圖6分別為閉口模型、開口模型在升沉和縱搖方向上的運(yùn)動(dòng)計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比。從圖5、圖6可以看出：兩者在升沉方向的變化趨勢基本一致;而縱搖方向計(jì)算值與試驗(yàn)值存在一定的差異，說明開口的存在會(huì)影響數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

a）升沉方向? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?b）縱搖方向

圖 5? 閉口模型在升沉和縱搖方向上的運(yùn)動(dòng)計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比

a）升沉方向? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? b）縱搖方向

圖 6? 開口模型在升沉和縱搖方向上的運(yùn)動(dòng)計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比

3.4? 開口對(duì)船舶阻力性能的影響

從上面的計(jì)算結(jié)果來看，水線面大開口的存在導(dǎo)致了船體總阻力急劇增大，但閉口模型和開口模型摩擦阻力相差不大，摩擦阻力對(duì)船體阻力變化影響較小。

圖7為幾個(gè)典型航速下計(jì)算域y=0.278 m處沿x方向的波高分布對(duì)比圖。從圖7可以看出，開口模型與閉口模型在船首附近的波高基本一致，說明船體中部開口對(duì)于船首波系影響不大;而在船尾處，開口模型與閉口模型的波高分布出現(xiàn)了一定的差別，開口結(jié)構(gòu)使得原本船尾后的波峰與波谷有明顯的前移，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是船首橫波在傳播過程中受到了中部開口的影響，從而使得其在船尾部分與船尾橫波混合后組成的橫波也受到影響，產(chǎn)生了上述差異。

對(duì)于船舶的興波阻力，其大小與船行波波高平方及波寬成正比關(guān)系。由圖7可以看出：盡管開口模型與閉口模型在尾部的波高分布出現(xiàn)一定差異，但兩者船行波波高及波寬卻相差不大，兩者所受的興波阻力也應(yīng)相差不大。由此可得：船體中部大開口結(jié)構(gòu)對(duì)于船舶興波阻力變化影響較小，興波阻力并非是引起船體總阻力急劇增大的主要原因。

圖8為幾個(gè)典型航速下開口模型與閉口模型船體表面自由液面分布圖。從圖8中可以看出：開口模型與閉口模型在船中開口以外的區(qū)域自由液面分布基本一致，這進(jìn)一步驗(yàn)證了水線面大開口對(duì)船舶興波阻力影響不大;開口模型中部開口內(nèi)流體一部分流向船底，一部分則被壁面阻擋反射，自由液面出現(xiàn)了嚴(yán)重的界層分離和漩渦，產(chǎn)生較大的粘壓阻力，進(jìn)而使得船體的剩余阻力增大。因此，大開口導(dǎo)致的粘壓阻力變化是引起船體阻力增值的主要原因。

4? ? 結(jié)論

本文以某船舯大開口船舶為研究對(duì)象，應(yīng)用Fine-Marine軟件分別對(duì)船舯大開口開啟和封閉狀態(tài)下的船舶阻力及其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。對(duì)于閉口模型，預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)值的誤差最大為4.71%;對(duì)于開口模型，預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)值的誤差最大為8.84%。這說明采用數(shù)值計(jì)算方法預(yù)報(bào)船舶阻力是合理可靠的，可為后續(xù)同類船型開發(fā)研究提供參考。從預(yù)報(bào)結(jié)果來看，水線面大開口的存在導(dǎo)致了船體總阻力急劇增大，船舯開口結(jié)構(gòu)對(duì)船體摩擦阻力和興波阻力變化影響較小，大開口導(dǎo)致的粘壓阻力變化才是引起船體阻力增值的主要原因。

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