基于CFD的金槍魚(yú)延繩釣漁船球鼻艏形狀研究

李 超 鄭建麗 張 怡 楊高勝

（農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所 上海200092）

引 言

燃油成本在漁船捕撈中占有很高比重，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越的船型、提升船舶的快速性指標(biāo)、節(jié)能減阻降耗已成為新型漁船設(shè)計(jì)領(lǐng)域必做的研究?jī)?nèi)容［1］。在現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)中，球鼻艏已廣泛應(yīng)用于各軍用和民用船舶中，適當(dāng)?shù)那虮囚伎捎行У販p小興波阻力，在漁船領(lǐng)域球鼻艏的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。球首的形狀可以變化出很多種，常見(jiàn)的球鼻艏形式有撞角型、水滴型和S-V上翹型共三種，不同船型會(huì)選擇不同形式的球鼻艏，而不同形式的球鼻艏對(duì)阻力性能的影響也各不相同［2-4］。采用傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)方法，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于漁船使用球鼻艏進(jìn)行減阻研究已取得一定的成果［5-6］，但模型試驗(yàn)法存在耗費(fèi)大、周期長(zhǎng)且不可重復(fù)利用的缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件不斷升級(jí)，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）也得到快速發(fā)展，CFD技術(shù)已成為船舶水動(dòng)力性能研究的重要手段，并逐漸應(yīng)用到漁船領(lǐng)域。本文以一條新設(shè)計(jì)的金槍魚(yú)延繩釣漁船為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)三種不同形式的球鼻艏。通過(guò)CFD方法分別對(duì)其船體阻力性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)比較得出一種適用于該型金槍魚(yú)延繩釣漁船具有較好減阻效果的球鼻艏形式。

1 CFD控制方程

船模在靜水中以速度V作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，模擬過(guò)程中假定船模靜止，遠(yuǎn)方來(lái)流以相對(duì)船模的-V速度勻速流動(dòng)，且流體為不可壓縮。本文采用Flow-3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，用VOF法追蹤自由液面，采用N-S方程建立三維RNGk-ε數(shù)學(xué)模型，控制方程如下［7］：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

湍動(dòng)能k方程：

湍流耗散率ε方程：

式中：u、v、w是在x、y、z三個(gè)方向上的速度分量；Ax、Ay、Az表示x、y、z三個(gè)方向的面積分?jǐn)?shù)；Gx、Gy、Gz為x、y、z三個(gè)方向的重力加速度；fx、fy、fz是三個(gè)方向的粘滯力；VF是可流動(dòng)的體積分?jǐn)?shù)；ρ是流體密度；p是作用在流體微元上的壓力；k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)；；Gk為湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，分別為湍動(dòng)能和湍流耗散率所對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，均為1.39；是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別為 1.42、1.68。

2 數(shù)值模擬及驗(yàn)證

2.1 計(jì)算域選取及網(wǎng)格劃分

本文計(jì)算模型取自一艘新設(shè)計(jì)的49.5 m金槍魚(yú)延繩釣漁船，船體主尺度見(jiàn)表1，首先為該船設(shè)計(jì)了撞角型球鼻艏（如圖1所示），數(shù)值模型根據(jù)拖曳水池船模大小建立，縮尺比為1∶12，計(jì)算區(qū)域取船首和船側(cè)1倍船長(zhǎng)、尾部4倍船長(zhǎng)、底部以下1倍船長(zhǎng)。由于船體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間本文取船體半寬進(jìn)行模擬，模型和計(jì)算域如圖1和圖2所示。

表1 船體主尺度

圖1 船體計(jì)算模型

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬計(jì)算最關(guān)鍵的一步，F(xiàn)low-3D通過(guò)有限差分法和其自帶的FAVOR技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，與傳統(tǒng)的有限差分法相比，F(xiàn)low-3D的網(wǎng)格更貼近于實(shí)際模型，其網(wǎng)格劃分以結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為基礎(chǔ)，裁剪出一部分網(wǎng)格來(lái)表示光滑的曲面，F(xiàn)AVOR技術(shù)利用簡(jiǎn)單的矩形劃分來(lái)比擬復(fù)雜的幾何體，容易生成網(wǎng)格且計(jì)算精度高，處理網(wǎng)格時(shí)操作也比較簡(jiǎn)單。為獲得更加精確的模擬效果，將整個(gè)計(jì)算域劃分為三個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，在船體周?chē)蓛?nèi)向外、由密到疏，保證網(wǎng)格有良好的過(guò)渡性（見(jiàn)圖2）。由于該船首尾處曲率過(guò)度較大且形狀較為復(fù)雜，容易產(chǎn)生較大興波，在網(wǎng)格劃分時(shí)要作適當(dāng)加密處理，加密網(wǎng)格如圖3和圖4所示。

圖3 首部網(wǎng)格加密

圖4 尾部網(wǎng)格加密

表2 計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果

2.2 邊界條件設(shè)置

入口邊界條件：前方來(lái)流以一定的速度由船首流入，該面邊界條件設(shè)置為Specified velocity。

出口邊界條件：出口設(shè)置為outflow，即允許流體離開(kāi)流體區(qū)而沒(méi)有回流流進(jìn)流體區(qū)。

對(duì)稱(chēng)邊界條件：流體區(qū)上下表面及對(duì)稱(chēng)面設(shè)為symmetry，該邊界上的流體通量為0，流體的剪切應(yīng)力也為0。

壓力邊界條件：兩側(cè)的表面設(shè)置為Specified pressure，壓力邊界為常數(shù)。

2.3 計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)證

文中模擬了不同航速下的船體阻力性能，計(jì)算結(jié)果及船模試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，表中Vs為實(shí)船航速，Vm為模型速度。將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 阻力比較曲線(xiàn)圖

由表2和圖5可以看出，數(shù)值計(jì)算得到的總阻力與船模試驗(yàn)值比較吻合，說(shuō)明數(shù)值模型建立、湍流模型選取、邊界條件設(shè)置及求解器選用合理。由此證明CFD技術(shù)在該型漁船阻力性能預(yù)報(bào)方面可行性較好。

3 球鼻艏形狀優(yōu)選

在驗(yàn)證數(shù)值模擬方法可行的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變球艏的伸出長(zhǎng)度、體積大小和形心浸深為該船設(shè)計(jì)水滴型球鼻艏和S-V上翹型球鼻艏，球鼻艏形狀如圖6所示，其數(shù)值模型如圖7和圖8所示。

圖6 不同球鼻艏形式

圖7 水滴型球鼻艏

圖8 S-V上翹型球鼻艏

然后利用數(shù)值模擬方法對(duì)二者的船體阻力性能進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與撞角型球鼻艏阻力性能繪制成曲線(xiàn)進(jìn)行比較，其阻力性能曲線(xiàn)如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，該型船使用水滴型球鼻艏時(shí)減阻效果相對(duì)較差。航速較低時(shí)，撞角型球鼻艏的減阻效果優(yōu)于S-V上翹型，但航速較高時(shí)，撞角型球鼻艏減阻效果則稍劣于S-V上翹型球鼻艏?？紤]到金槍魚(yú)延繩釣漁船在作業(yè)時(shí)經(jīng)常處于6～7 kn的低速航行狀態(tài)，因此，本船選取撞角型球鼻艏。

圖9 不同形式球鼻艏阻力性能曲線(xiàn)

4 結(jié) 論

本文針對(duì)金槍魚(yú)延繩釣漁船利用CFD方法并結(jié)合模型試驗(yàn)獲得三種不同球鼻艏形式下船體的阻力性能。通過(guò)比較分析得出：對(duì)于該型經(jīng)常處于低速工況下作業(yè)的漁船，使用撞角型球鼻艏具有較好的減阻效果。

［1］ 陳霞萍，陳昌運(yùn).基于CFD與EFD的船體線(xiàn)型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［C］.《船舶力學(xué)》創(chuàng)刊十周年紀(jì)念學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，無(wú)錫 ：［S.L.］，2007：243-250.

［2］ 蔡榮泉，張彥明.艦船流場(chǎng)計(jì)算程序系統(tǒng)及其在淺吃水肥大船球艏選型中的應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，1997：16-20.

［3］ 王超，何苗，王偉，等.艏艉線(xiàn)型優(yōu)化對(duì)船舶阻力性能的影響［J］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（4）：75-81.

［4］ 徐力，陳作鋼.船體艏部水動(dòng)力性能優(yōu)化［J］.中國(guó)艦船研究，2012（2）：37-41.

［5］ 梁建生，譚文先.漁船減阻節(jié)能球艏的模型比較試驗(yàn)研究［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2009（4）：54-58.

［6］ 許輝，陳克強(qiáng).漁船型線(xiàn)優(yōu)化及水動(dòng)力性能研究［J］.船海工程，2013（6）：85-88.

［7］ 王月華，包中進(jìn)，王斌.基于FLOW-3D軟件的消能池三維水流數(shù)值模擬［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（4）：454-457.

［8］ 黃衛(wèi)剛，姜治芳，邱遼原.撞角球鼻艏形式和參數(shù)變化對(duì)阻力影響的研究［J］.中國(guó)艦船研究，2012（1）：23-28.

［9］ 趙林崗，李剛強(qiáng)，謝永和.球鼻艏伸出長(zhǎng)度對(duì)阻力性能的影響［J］.船舶，2012（5）：7-11.