劉 貝

(新世紀(jì)船舶設(shè)計研發(fā)(上海)有限公司，上海201203)

0 引言

當(dāng)前全球碳減排工作正在積極推進(jìn)，對于航運(yùn)業(yè)減碳的要求也越來越高。航運(yùn)業(yè)短期減排措施包括完善能源效率框架、研發(fā)提高能效的技術(shù)、優(yōu)化船舶速度、制訂能效指標(biāo)、研發(fā)替代性低碳或零碳燃料等，因此造船企業(yè)推出了各種類型的節(jié)能減阻裝置，如：球鼻艏、舵球、轂帽鰭、導(dǎo)流罩等，以減小船舶水下部分阻力。目前，這些節(jié)能減阻裝置已經(jīng)在各類型船舶上普遍應(yīng)用[1]。

由于空氣阻力占總阻力比例較小，船舶上層建筑設(shè)計時通常較少考慮空氣阻力的影響，但是當(dāng)其他減阻措施都已經(jīng)使用后，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，減小船舶上層建筑空氣阻力成為一個重要優(yōu)化方向。陳前昆等[2]對船舶風(fēng)載荷研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢進(jìn)行了概述，提出上層建筑優(yōu)化應(yīng)使氣流在迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)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(fēng)面構(gòu)型上層建筑的風(fēng)阻情況，但未對構(gòu)型的不同參數(shù)影響進(jìn)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(shù)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(shù)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?？諝庾枇εc船舶水上部分外形及風(fēng)的相對速度和大小有關(guān)，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(shù)；ρa(bǔ)為空氣質(zhì)量密度，ρa(bǔ)=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(shù)，在速度一定的情況下通過減小受風(fēng)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(shù)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(shù)為：總長229.00 m，型寬32.26 m，設(shè)計吃水14.50 m，設(shè)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(jīng)歷過多次設(shè)計迭代，各種設(shè)計指標(biāo)不斷優(yōu)化，其上層建筑經(jīng)歷了三代設(shè)計優(yōu)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(jìn)行了優(yōu)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(fēng)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(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)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(jìn)一步增大，正面受風(fēng)面積減小至第一代上層建筑的一半，上層建筑內(nèi)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(shù)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(shù)的影響，下文用Cd表示上層建筑部分空氣阻力系數(shù)。使用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法計算不同上層建筑外形的阻力及阻力系數(shù)[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(shù)變化趨勢的影響，總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律。然后使用三維CFD方法對相關(guān)結(jié)論進(jìn)行驗證并進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

計算中假定船舶在無風(fēng)環(huán)境下以最大航速14.2 kn航行，使用穩(wěn)態(tài)方法計算此時上層建筑受到的阻力，并計算出阻力系數(shù)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(jìn)口，給定進(jìn)口速度和相應(yīng)參數(shù)；出口選用壓力出口，壓力設(shè)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(jù)表1可以看出，通過減小上層建筑受風(fēng)面積，可以顯著降低空氣阻力，同時空氣阻力系數(shù)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(shù)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(jìn)行切角處理，可以改變側(cè)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(jìn)行切角處理，用二維CFD方法分別計算不同切角值對應(yīng)的空氣阻力變化情況，切角大小與空氣阻力系數(shù)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(shù)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(shù)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(jìn)行倒圓角處理，可使流線更貼近于艙壁，進(jìn)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(jìn)行圓角處理，用CFD方法分別計算不同圓角對應(yīng)的空氣阻力變化情況，圓角半徑大小與空氣阻力系數(shù)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(shù)Cd呈現(xiàn)減小趨勢；當(dāng)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(shù)Cd會顯著減小；其后再繼續(xù)增大圓角半徑，阻力系數(shù)Cd基本不再減小。其原因為在給定風(fēng)速下，當(dāng)R/B遠(yuǎn)小于0.1時，在側(cè)壁處會出現(xiàn)分離現(xiàn)象并產(chǎn)生渦；當(dāng)R/B接近0.1時，流線已非常貼近上層建筑側(cè)壁，即可以認(rèn)為此時外形已接近流線型，見圖4。

圖3 阻力系數(shù)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(shù)出現(xiàn)增大的相反趨勢，原因是對應(yīng)工況計算過程中上層建筑側(cè)壁出現(xiàn)規(guī)律性的渦分離現(xiàn)象，造成阻力系數(shù)周期性變化，圖中阻力系數(shù)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(jié)論進(jìn)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(jié)論進(jìn)行計算驗證。首先計算優(yōu)化前的上層建筑三維模型(即對二維模型H1進(jìn)行三維化處理，模型代號H3D1)阻力系數(shù)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(jìn)行切角處理)時的阻力系數(shù)。其變化趨勢見圖5。

圖5 阻力系數(shù)Cd比值與圓角半徑關(guān)系(三維CFD計算)

由圖5可以看出，三維CFD計算結(jié)果與上述結(jié)論相近，即當(dāng)圓角半徑R逐漸增大至0.1倍上層建筑寬度時，阻力系數(shù)Cd會顯著減小，其后再繼續(xù)增大圓角半徑則阻力系數(shù)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(yōu)化后的阻力系數(shù)Cd值與優(yōu)化前比值約為40%。阻力系數(shù)減小幅度小于二維CFD計算對應(yīng)的結(jié)果，存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

3.5 對上層建筑駕駛室頂部進(jìn)行優(yōu)化

對上層建筑駕駛室頂部前端進(jìn)行切角和圓角處理，分別計算阻力系數(shù)。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(jìn)行切角C=500 mm和圓角R=500 mm計算。優(yōu)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(yōu)化前后縱剖面總壓力分布(單位：mm)

從圖6可以看出，優(yōu)化前駕駛室頂部氣流存在明顯分離現(xiàn)象，優(yōu)化后分離現(xiàn)象明顯變化。優(yōu)化前后阻力系數(shù)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(shù)對照表

4 結(jié)論

(1)在上層建筑前壁設(shè)置圓角R=0.1B。

(2)駕駛室頂部前端設(shè)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(shù)減小至優(yōu)化前的34%左右。

(3)在設(shè)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(shù)(Cd=1.135)，進(jìn)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(jù)式(1)可以計算出，通過上述方法進(jìn)行優(yōu)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(yōu)化方法對于降低散貨船燃油消耗、提高設(shè)計能效有顯著效果。