組合附體對雙體船水動(dòng)力性能的影響分析

邵菲, 郭志群, 韓端鋒, 鄭曉光

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116001)

組合附體對雙體船水動(dòng)力性能的影響分析

邵菲1, 郭志群1, 韓端鋒1, 鄭曉光2

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116001)

雙體船具有低阻力、高航速、良好操縱性和甲板寬大等優(yōu)點(diǎn)，但是由于長寬比較小，雙體船在斜浪中的扭搖運(yùn)動(dòng)比較劇烈。為了改善雙體船的耐波性，采用T型水翼作為減搖附體來提高船體的附加質(zhì)量和阻尼。然而，使用T型水翼進(jìn)行減搖可能造成雙體船的航行阻力增大。本文提出了采用尾壓浪板改變船體縱傾、以對帶T型水翼的雙體船進(jìn)行減阻的方案，并基于數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)等手段，對比研究了不同航速下加裝與不加裝T型水翼及壓浪板的雙體船的航行阻力和耐波性。研究結(jié)果表明，在Fn=0.5～0.8的高航速段內(nèi)，與雙體船裸船體相比，加裝了T型水翼和壓浪板的雙體船在靜水中的航行阻力略有減小，而在波浪中的升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)平均減小了11.2%，縱搖運(yùn)動(dòng)平均減小了21.3%。采用T型水翼和壓浪板作為組合附體，可實(shí)現(xiàn)雙體船的阻力和耐波性等水動(dòng)力性能優(yōu)化的目的。

雙體船；T型水翼；壓浪板；組合附體；減搖；減阻

雙體船較之常規(guī)的單體船，具有高航速、穩(wěn)性好、吃水淺、甲板面積大和機(jī)動(dòng)性能高等高水平的綜合航海性能，被廣泛的應(yīng)用于高速車客渡船、軍用高性能作戰(zhàn)艇和隱身艦。但是，在中等或惡劣海況下、特別是在斜浪中，由于雙體船的長寬比較小，縱橫搖周期接近，船體極易出現(xiàn)縱橫搖耦合的扭搖現(xiàn)象，造成船員暈船等不良后果[1]。為了減少雙體船的縱搖或扭搖現(xiàn)象，有的研究者在船艏加裝SSB附體(半潛艏)[2]以提高船體的耐波性。不過由于SSB附體顯著改變了船艏線型，在某些船型如穿浪雙體船上安裝可能會(huì)導(dǎo)致穿浪效果變差。更為常見的減搖方式是在船艏底部加裝T型水翼來提高雙體船的附加質(zhì)量和阻尼，進(jìn)而減小船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)[3-4]。然而,盡管T型水翼具有顯著的減搖效果，但它的存在又造成了雙體船航行阻力增加的后果[5]。

另一方面，相關(guān)研究表明[6]，截流板和壓浪板對中高速雙體船有一定減阻的效果,一般可減阻6%以上。因此，為了抵消T型水翼帶來的增阻影響，近年來也有研究工作[5]考慮在帶T型水翼的雙體船尾部加裝鰭、截流板或壓浪板等附體形式。研究結(jié)果顯示[5]，T型水翼+鰭的減搖效果明顯但減阻效果相對較差，T型水翼+截流板的減阻效果明顯但減搖效果卻相對較差，唯有T型水翼+壓浪板的組合附體形式兼有較好的減阻和減搖效果。但文獻(xiàn)[5]所涉及的附體工況較少，壓浪板下壓角固定在5°，研究得出的結(jié)論是，僅在傅汝德數(shù)Fn>0.8之后，加裝T型水翼+壓浪板的雙體船阻力才比裸船體低。當(dāng)然，關(guān)于(T型)水翼和壓浪板的研究工作在其他一些文獻(xiàn)里也有涉及，如盧曉平等[7]研究了消波水翼及壓浪板度高速船航態(tài)和阻力的影響，Esteban[8]和王五桂[9]使用T型水翼和壓浪板對高速船的耐波性運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制等。不過，這些工作或側(cè)重于對帶水翼和壓浪板附體的船舶阻力的研究，或側(cè)重于對耐波性運(yùn)動(dòng)及其控制的研究，而對這兩方面水動(dòng)力性能進(jìn)行綜合優(yōu)化研究的工作尚不多見。

本論文所研究的雙體船感興趣的航速范圍在0.5

1 CFD數(shù)值仿真模型

本文CFD數(shù)值仿真的主要目的是對T型水翼及壓浪板的減搖、減阻效果進(jìn)行判斷，以初步確定具有減搖和減阻效果的附體設(shè)計(jì)參數(shù)，便于后期開展水池模型試驗(yàn)驗(yàn)證及附體參數(shù)的進(jìn)一步篩選。

由于基于勢流理論的雙體船興波阻力預(yù)報(bào)方法如Michell積分[10]、Noblesse細(xì)長體理論[11]及其改進(jìn)方法[12-13]只能預(yù)報(bào)裸船體的興波阻力。而對帶T型水翼、壓浪板等附體的復(fù)合船型，由于附體附近的流動(dòng)復(fù)雜、粘性效應(yīng)不可忽略，使用勢流理論方法較難得出精確結(jié)果。為此，本文擬采用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)雙體船裸船體及加裝組合附體后的航行阻力?？紤]到附體選型涉及到較多的計(jì)算工況，為了提高計(jì)算效率，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)[14-15]在CFD仿真計(jì)算中直接更新附體的尺寸參數(shù)。

同理，二維半、三維格林函數(shù)等勢流理論也只適用于預(yù)報(bào)雙體船裸船體的耐波性，而壓浪板附近的流場較為復(fù)雜，其附加質(zhì)量、阻尼等水動(dòng)力系數(shù)較難估算，因而采用勢流理論預(yù)報(bào)帶T型水翼+壓浪板組合附體的雙體船運(yùn)動(dòng)也有一定的困難。因而本文選用CFD方法中的重疊網(wǎng)格技術(shù)[16]預(yù)報(bào)雙體船裸船體及加裝組合附體后的縱向運(yùn)動(dòng)。

1.1 CFD數(shù)值水池設(shè)置

數(shù)值水池設(shè)置中，邊界條件形式采用速度入口和壓力出口的方式，如圖1所示，以浪向角為180°為例，速度入口位于距船首1.5倍船長，壓力出口距船艉部3倍船長，船體為剛性壁面，底部距船基線1.5倍船長，左右側(cè)壁距船側(cè)各1.5倍船長，消波區(qū)為1倍船長。

圖1 計(jì)算流域邊界劃分Fig.1 Division on the computational region

數(shù)值仿真軟件為Star CCM+，數(shù)值模型基于雷諾平均NS方程(RANS方程)，湍流模型選用SSTk-ω模型，數(shù)值離散方法是有限體積法。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，船體表面邊界第一層網(wǎng)格的無量綱厚度y+值取100即可取得較理想的計(jì)算結(jié)果[17]。

1.2 阻力仿真網(wǎng)格模型

為了節(jié)省仿真時(shí)間，在數(shù)值模擬中通過變形網(wǎng)格更新壓浪板的下壓角度，基本工作思路如下：從初始下壓角為5°的壓浪板開始進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)流場趨于穩(wěn)定得到收斂的阻力之后，調(diào)用變形函數(shù)，通過控制壓浪板邊界上控制點(diǎn)及域內(nèi)其他網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)時(shí)間使壓浪板的下壓角變?yōu)?0°(如圖2所示)，當(dāng)變形工作完成以后，進(jìn)行下一階段的數(shù)值模擬，可以得到另一個(gè)穩(wěn)定的流場并獲得收斂的阻力。重復(fù)此過程，即可得到船體帶不同下壓角度的壓浪板的阻力。上述過程在一次仿真計(jì)算中自動(dòng)完成，而無需手工反復(fù)修改模型、劃分網(wǎng)格。阻力仿真所用的網(wǎng)格總數(shù)是120萬個(gè)。關(guān)于變形網(wǎng)格方法更多的處理細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[11-12]。

圖2 壓浪板的網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 The mesh grids around the flap

1.3 耐波性仿真網(wǎng)格模型

為了模擬雙體船在流體域中的運(yùn)動(dòng)，采用重疊網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行流場網(wǎng)格劃分。即將覆蓋整個(gè)計(jì)算域的母網(wǎng)格和包含雙體船的子網(wǎng)格疊加來描述雙體船相對域的運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。子母網(wǎng)格中的流場信息通過插值函數(shù)在重疊區(qū)邊界進(jìn)行匹配和耦合。這種網(wǎng)格技術(shù)對能夠保證雙體船運(yùn)動(dòng)過程中，計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變，且網(wǎng)格質(zhì)量好，計(jì)算精度高，耐波性仿真所用的網(wǎng)格總數(shù)是150萬個(gè)。

圖3 定義重疊網(wǎng)格后的雙體船網(wǎng)格Fig.3 Overlapped mesh for the catamaran

2 船模試驗(yàn)

2.1 船模試驗(yàn)工況

船模試驗(yàn)包括：

1)裸船體的阻力和耐波性試驗(yàn)。阻力試驗(yàn)中船模航速在Fn在0.17～0.80內(nèi)選取13個(gè)值；耐波性試驗(yàn)中船模航速取Fn為0.5, 0.6, 0.7, 0.8等4個(gè)值，波長船長比在0.4～2.7之間選取9個(gè)值。

2)只帶壓浪板的船模阻力試驗(yàn)。船模航速取Fn為0.69, 0.72, 0.77, 0.80等4個(gè)；壓浪板下壓角度取5°、10°和15°等3個(gè)。這一步試驗(yàn)之所以不帶T型水翼，是為了排除T型水翼的增阻干擾，更好地驗(yàn)證壓浪板的減阻效果。

3)帶T型水翼和壓浪板的船模阻力和耐波性試驗(yàn)。壓浪板的下壓角固定取10°，阻力與耐波性的水池試驗(yàn)工況與裸船體相同。

具體試驗(yàn)思路是：先通過試驗(yàn)確定雙體船裸船體的阻力和耐波性能；再通過帶不同下壓角壓浪板的船模阻力試驗(yàn)確定壓浪板最佳的下壓角度；最后把已確定參數(shù)的T型水翼加入帶最佳下壓角壓浪板的雙體船中(T型水翼的升力(矩)對船體姿態(tài)的影響有限，其造成船模的縱傾角的改變相對于壓浪板的5°、10°和15°三個(gè)下壓角來說是小量，所以本文忽略了T型水翼對壓浪板最佳下壓角度的影響)，開展帶組合附體的雙體船阻力和耐波性試驗(yàn)。

2.2 船體及附體模型參數(shù)

船模的主尺度參數(shù)分別如表1所示。

表1 雙體船模主要參數(shù)

壓浪板共有5°、10°和15°等3個(gè)下壓角，表2所示的是10°下壓角的壓浪板參數(shù)。

T型水翼作為已確定的附體，不參與參數(shù)優(yōu)選。T型水翼的主要作用是在雙體船運(yùn)動(dòng)中提供附加質(zhì)量和升力阻尼。T型水翼的主要參數(shù)如表3,圖4是T型水翼的模型及在船模上的安裝圖。

表2 壓浪板尺寸參數(shù)

表3 T型水翼尺寸參數(shù)

圖4 T型水翼模型Fig.4 T-foil model

需要指出的是，由于本文的研究對象是雙體船，所以每個(gè)船體下各有一套T型水翼和壓浪板。

3 數(shù)值和船模試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 阻力結(jié)果分析

圖5所示的是加裝不同下壓角壓浪板的雙體船(標(biāo)作“Flapθ=5°,10°,15°”)與裸船體(標(biāo)作“Bare”)的無量綱阻力(篇幅所限，這里僅給出試驗(yàn)結(jié)果)對比。無量綱阻力的計(jì)算公式為

(1)

式中：R是船體阻力，ρ是水的密度，S是裸船體濕表面，V是航行速度。

從圖5可看出，在高航速下，三種不同下壓角的壓浪板均可使雙體船阻力降低，其中下壓角θ=10°的壓浪板減阻最多(平均減阻6.1%)。因而從本試驗(yàn)研究中可優(yōu)選出θ=10°的壓浪板與T型水翼組成組合附體用于下一步的雙體船減阻和減搖研究。

圖5 加裝不同下壓角壓浪板的雙體船阻力(θ=5°, 10°, 15°)Fig.5 Resistance of the catamaran without flaps / withflaps ofdifferent attack angles (θ=5°, 10°, 15°)

圖6所示的是雙體船裸船體(標(biāo)作“Bare：EFD”和“Bare：CFD”)和加裝了T型水翼(參數(shù)見表3)及壓浪板(參數(shù)見表2)的復(fù)合船體(標(biāo)作“T-foil+flap：EFD”和“T-foil+flap：CFD”)在靜水中的無量綱阻力對比。其中“EFD”表示數(shù)據(jù)來自模型試驗(yàn)，“CFD”表示數(shù)據(jù)來自CFD數(shù)值仿真。數(shù)值仿真結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)結(jié)果均表明，在中低航速段(Fn<0.5),加裝了組合附體的雙體船阻力大于裸船體阻力；而在高航速段(0.5

圖6 加裝組合附體前后雙體船的阻力(θ=10°)Fig.6 Resistance of the catamaran with/without T-foils and flaps (θ=10°)

可見，所設(shè)計(jì)的T型水翼和壓浪板方案滿足目標(biāo)雙體船在高航速段的阻力優(yōu)化目的。

3.2 耐波性結(jié)果分析

圖7～10展示的是在航速0.5

圖7 加裝組合附體前后雙體船的運(yùn)動(dòng)對比(Fn=0.5)Fig.7 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.5)

圖8 加裝組合附體前后雙體船的運(yùn)動(dòng)對比(Fn=0.6)Fig.8 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.6)

圖9 加裝組合附體前后雙體船的運(yùn)動(dòng)對比(Fn=0.7)Fig.9 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.7)

圖10 加裝組合附體前后雙體船的運(yùn)動(dòng)對比(Fn=0.8)Fig.10 Motion response of the catamaran with/without T-foils and flaps (Fn=0.8)

從圖中可以看出，在雙體船的高航速范圍內(nèi)，加裝了組合附體后其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)得到明顯的改善，尤其是在波長船長比大于2的長波中。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示，在0.5

另外，從圖中的結(jié)果可以看出，與試驗(yàn)結(jié)果相比，CFD數(shù)值仿真結(jié)果在部分長波中有一定的偏差，但仿真結(jié)果基本反映了加裝組合附體后船體運(yùn)動(dòng)減小的趨勢。

4 結(jié)束語

本文研究了由T型水翼與壓浪板構(gòu)成的組合附體對雙體船的阻力與耐波性的影響。研究結(jié)果表明，在高航速條件下(0.5

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Influence of built-up appendage on hydrodynamics of catamarans

SHAO Fei1,GUO Zhiqun1,HAN Duanfeng1, ZHENG Xiaoguang2

(1. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Dalian Shipbuilding Industry Co.,Ltd., Dalian 116001, China)

Catamarans feature low resistance, fast speed, good maneuverability, and a large deck area. However, due to their small length to breadth ratio, catamarans can twist in oblique waves. To improve the seakeeping performance of fast catamarans, T-foils have been used as stabilizing appendages to provide added mass and damping. However, one of the disadvantages of using T-foils is the increase in total resistance. In this work, our objective was to reduce the resistance of a T-foil-assisted catamaran by fitting flaps beneath both sterns to alter the hull trim. For this purpose, we conducted both numerical simulations and model experiments in a range of advancing speeds to investigate the resistance and seakeeping performance of catamarans with/without flaps and T-foils. Our results indicate that at high-speed navigation with Froude numbers from 0.5～0.8 in calm water, the resistance of the flaps-and-T-foils-assisted catamaran was slightly lower, and the heave and pitch response amplitude operator (RAO) values in waves were 11.2% and 21.3%, respectively, which are lower than those of unassisted catamarans. We also verified the validity of our catamaran hydrodynamic optimization method that employs a built-up appendage comprising flaps and T-foils.

catamaran; T-foil; flap; built-up appendage; motion control; drag reduction

2016-03-28.

時(shí)間：2016-12-12.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51509053).

邵菲(1987-), 女, 博士研究生； 郭志群(1983-), 男, 講師, 碩士; 韓端鋒(1966-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

郭志群, E-mail:guozhiqun@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201603094

U674.951

A

1006-7043(2017)01-0053-06

邵菲, 郭志群, 韓端鋒，等. 組合附體對雙體船水動(dòng)力性能的影響分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017, 38(1): 53-58. SHAO Fei ,GUO Zhiqun ,HAN Duanfeng,et al. Influence of built-up appendage on hydrodynamics of catamarans[J]. Journal of Harbin Engineering University,2017, 38(1): 53-58.

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