基于STAR-CCM+的滑行艇阻力研究

孫志遠(yuǎn) 鄒 勁 談果戈 張?jiān)獎(jiǎng)?/p>

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

基于STAR-CCM+的滑行艇阻力研究

孫志遠(yuǎn) 鄒 勁 談果戈 張?jiān)獎(jiǎng)?/p>

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

為研究滑行艇的航行阻力問(wèn)題，首先建立滑行艇的幾何模型，然后基于STAR-CCM+軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。獲得滑行艇航行時(shí)阻力隨航速的變化規(guī)律，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值數(shù)據(jù)基本吻合。證明了在STAR-CCM+中能夠有效模擬滑行艇運(yùn)動(dòng)的阻力性能，該方法對(duì)于文中的實(shí)例具有較高的準(zhǔn)確性，可為滑行艇阻力的預(yù)報(bào)提供參考。

滑行艇；數(shù)值模擬；阻力；STAR-CCM+軟件

引 言

滑行艇是依靠航行時(shí)艇體產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力支托大部分艇體質(zhì)量的高速艇，因快速性、操縱性等優(yōu)良的水動(dòng)力性能得到廣泛應(yīng)用，對(duì)于其船型的研究也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的領(lǐng)域［1］。然而，對(duì)滑行艇水動(dòng)力性能的研究較困難，通常是通過(guò)船模試驗(yàn)和理論近似公式估算來(lái)完成；但對(duì)于船舶的水動(dòng)力性能，目前主要還是依靠船模試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行研究。船模試驗(yàn)按照相似理論以一定的縮尺比制作船模，然后在試驗(yàn)水池模擬實(shí)船的運(yùn)動(dòng)。船模試驗(yàn)是預(yù)報(bào)船舶阻力較為準(zhǔn)確的方法，但是船模試驗(yàn)往往受到模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)和測(cè)量精度等限制，有時(shí)候很難通過(guò)試驗(yàn)方法得到準(zhǔn)確結(jié)果［2］。近年來(lái)流行的CFD數(shù)值模擬技術(shù)可以有效估算船舶的水動(dòng)力性能，Alban Leroyer等［3］運(yùn)用CFD軟件，采用基于VOF 波和基于多相流的RANS求解器研究了某高速船自由液面的變化情況；倪崇本等利用動(dòng)網(wǎng)格對(duì)高速船和INSEAN2340標(biāo)模的阻力進(jìn)行計(jì)算［4-5］，獲得較好的模擬效果。本文基于STAR-CCM+的軟件平臺(tái)對(duì)不同傅汝德數(shù)下的滑行艇開展數(shù)值計(jì)算，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)值，證實(shí)CFD 方法在解決高速滑行艇的表面水動(dòng)力計(jì)算問(wèn)題上具有一定的可靠性，從而使自由船模拖曳的模擬成為可能。

1 船型參數(shù)與數(shù)值方法

1.1 船型簡(jiǎn)介

本文研究的滑行艇船體形狀如圖1所示，滑行艇船模具體參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

1.2 CFD數(shù)值計(jì)算方法

從N-S方程（Navier-Stokes）方程出發(fā)對(duì)滑行艇的粘性流場(chǎng)進(jìn)行模擬，采用RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程方法求解N-S方程，

其連續(xù)性方程和動(dòng)量方程如下［6］：

式中：ui、uj為速度分量時(shí)，均值（i、j = 1，2，3）；P 為壓力時(shí)均值；ρ為流體密度；μ 為動(dòng)力粘性系數(shù)；ρuiuj為雷諾應(yīng)力項(xiàng)，上劃線表示對(duì)物理量取時(shí)間平均。選用SST湍流模型封閉RANS方程，k的輸運(yùn)方程為：

ω的輸運(yùn)方程為：

式中：Gk和Gω代表平均速度梯度所引起的湍流動(dòng)能；Yk和Yω則表示關(guān)于k和ω的湍流耗散項(xiàng)。自由液面處，對(duì)自由表面的捕捉使用目前最為廣泛的VOF［7］模型。

1.3 計(jì)算方案

計(jì)算域的建立：

考慮到船舶的直航運(yùn)動(dòng)以及船體嚴(yán)格的對(duì)稱性，為減小計(jì)算量又不影響精度，只對(duì)半船模型進(jìn)行數(shù)值模擬。為保證計(jì)算域中進(jìn)、出口處流動(dòng)均為定常狀態(tài)，距船首前1.5倍船長(zhǎng)處設(shè)置為入口，距船尾后3.5倍船長(zhǎng)處設(shè)置為出口。同時(shí)，將計(jì)算域分為內(nèi)域與外域，船體周圍設(shè)置船體加密內(nèi)域，其余部分屬于外域，如圖2所示。

流場(chǎng)控制域的范圍，邊界條件設(shè)置如下：入口為來(lái)流的速度；出口壓力分布為指定靜壓；對(duì)稱面為對(duì)稱邊界條件；船體表面設(shè)置為不可滑移壁面；其他壁面設(shè)置為滑移壁面。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是 CFD 模擬過(guò)程中較為耗時(shí)的環(huán)節(jié)，也是直接影響模擬精度和效率的關(guān)鍵因素之一。高質(zhì)量的網(wǎng)格是實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬成功的首要條件。過(guò)疏或過(guò)密的網(wǎng)格都會(huì)極大地影響計(jì)算結(jié)果［8］。體網(wǎng)格形式使用切割體網(wǎng)格，對(duì)自由液面、艇體周圍的體網(wǎng)格進(jìn)行局部加密設(shè)置，網(wǎng)格劃分情況見圖3。經(jīng)觀察，船體表面網(wǎng)格對(duì)船體形狀的捕捉良好。最終，包含半個(gè)船體的計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)為86萬(wàn)個(gè)。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與船模試驗(yàn)對(duì)比分析

滑行艇隨著航速的提高，船舶的航態(tài)會(huì)因流動(dòng)支持力的比重不同而發(fā)生變化。滑行艇的吃水和水線長(zhǎng)度隨航速的變化而改變，通常用和船舶重量相關(guān)的容積傅汝德數(shù)表示船的相對(duì)速度。

式中：V為滑行艇航速，m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；為靜止時(shí)排水體積，m3。

2.1 船模阻力試驗(yàn)

滑行艇的模型實(shí)驗(yàn)采用拖曳法測(cè)試，并記錄了船模阻力、垂蕩和縱傾角等參數(shù)。圖4為在試驗(yàn)中Fn = 4.06時(shí)的滑行艇運(yùn)動(dòng)情況。

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

本文基于上述數(shù)值算法和網(wǎng)格劃分方法，分別在9個(gè)傅汝德數(shù)下，對(duì)滑行艇的阻力、垂蕩以及縱傾角等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，阻力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比N

在STAR-CCM+平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)不同傅汝德數(shù)狀態(tài)下的滑行艇直航運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，把數(shù)值模擬的結(jié)果和試驗(yàn)值繪制成圖，如下頁(yè)圖5—圖7所示。

由圖5和圖6可以看出，數(shù)值計(jì)算對(duì)于滑行艇縱傾角和垂蕩的模擬和試驗(yàn)值較為接近，趨勢(shì)比較一致，精度較高。由圖7可以看出，數(shù)值模擬計(jì)算的阻力值與試驗(yàn)值整體吻合較好且趨勢(shì)相同，隨著體積傅汝德數(shù)的增加，阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差逐漸增大，但是阻力計(jì)算值在高速下的誤差也僅為13.81%，能夠滿足工程的需要。因此認(rèn)為應(yīng)用STAR-CCM+軟件對(duì)滑行艇進(jìn)行阻力預(yù)報(bào)是可行的，有一定的準(zhǔn)確性。

本文應(yīng)用STAR-CCM+軟件對(duì)于滑行艇在靜水中航行時(shí)的流場(chǎng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，取FnΔ= 4.06時(shí)的船舶流場(chǎng)進(jìn)行分析，數(shù)值模擬的船底壓力分布和自由表面波形分別如圖8和圖9所示。

數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)的現(xiàn)象比較吻合。對(duì)于高傅汝德數(shù)下船底動(dòng)壓力，自由表面的興波能夠捕捉準(zhǔn)確，能夠清晰地呈現(xiàn)滑行艇產(chǎn)生的飛濺和激尾流。

3 結(jié) 論

本文利用數(shù)值手段對(duì)滑行艇模型的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，數(shù)值方法可以較好地實(shí)現(xiàn)滑行艇運(yùn)動(dòng)模擬，不同傅汝德數(shù)下的垂蕩、縱傾和阻力值具有明顯的變化趨勢(shì)，且與試驗(yàn)值趨勢(shì)相同，誤差在工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，總體上基本滿足工程需要。然而，當(dāng)傅汝德數(shù)值較高時(shí)，數(shù)值模擬的阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值相比偏低，在后續(xù)研究中有必要對(duì)影響滑行艇數(shù)值模擬的一些因素作進(jìn)一步分析。

［1］韓翔希，趙成璧，唐友宏，等.高速船航態(tài)模擬與阻力預(yù)報(bào)CFD方法應(yīng)用［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2013（13）： 176-6183.

［2］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］. 北京：清華大學(xué)出版社， 2004.

［3］Leroyer A，Wackers J．Queutey P，et al. Numerical strategies to speed up CFD computations with free surface—application to the dynamic equilibrium of hulls［J］．Ocean Engineering，2011（17-18） ： 2070- 2076．

［4］倪崇本，朱仁傳，繆國(guó)平，等. 計(jì)及航行姿態(tài)變化的高速多體船阻力［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2011（1）：101-107.

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［6］約翰D安德森［美］．計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］．吳頌平，劉趙淼，譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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海洋工程總裝研發(fā)設(shè)計(jì)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室正式成立

4月25日，海洋工程總裝研發(fā)設(shè)計(jì)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室在上海成立并召開了第一屆理事會(huì)第一次會(huì)議。中船集團(tuán)黨組成員、副總經(jīng)理孫偉出席并致辭，來(lái)自上海市發(fā)改委、上海市科技黨委、中船集團(tuán)科技部以及相關(guān)科研院所、企業(yè)、高校、船級(jí)社等近20余家單位代表共同見證了這一時(shí)刻。該實(shí)驗(yàn)室由中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（MARIC）聯(lián)合中國(guó)國(guó)際海運(yùn)集裝箱（集團(tuán)）股份有限公司、上海外高橋造船有限公司、上海船廠船舶有限公司、滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司、中船黃埔文沖船舶有限公司、廣船國(guó)際有限公司、上海船舶工藝研究所、上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、中國(guó)船級(jí)社、四川宏華石油設(shè)備有限公司、上海利策科技股份有限公司等共12家單位共同申報(bào)，于2016年6月獲得國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)正式批復(fù)，集合了我國(guó)海洋工程行業(yè)內(nèi)從基礎(chǔ)研究、研發(fā)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成到總裝建設(shè)的各優(yōu)勢(shì)單位，是集全行業(yè)之力打造的國(guó)家級(jí)高水平海洋工程總裝研發(fā)設(shè)計(jì)創(chuàng)新平臺(tái)。

該實(shí)驗(yàn)室成立后，將針對(duì)我國(guó)海洋工程裝備前期設(shè)計(jì)核心技術(shù)短板、總裝建造技術(shù)不強(qiáng)等問(wèn)題，面向深海資源開發(fā)、極地資源開發(fā)、礦產(chǎn)資源開發(fā)和深水海洋保障等四大領(lǐng)域的迫切需求，圍繞海洋工程裝備總體技術(shù)領(lǐng)域和前瞻性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，突破裝備的總體研發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)、試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和并行協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)等十大共性關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)海洋工程研發(fā)設(shè)計(jì)與總裝建造示范平臺(tái)，支撐開展新一代鉆井平臺(tái)、深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)、極地鉆井船、大洋鉆探船和超大型半潛船等十大裝備技術(shù)、工藝和裝備的研發(fā)、系統(tǒng)集成和工程化，培養(yǎng)一批高水平海工裝備的工程技術(shù)創(chuàng)新人才，促進(jìn)重大科技成果應(yīng)用，逐步完善海工裝備設(shè)計(jì)技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系，全面形成深海、極地油氣開采裝備、礦產(chǎn)開采裝備、海上保障裝備的自主設(shè)計(jì)能力，為做大做強(qiáng)海工裝備制造業(yè)提供全方位的技術(shù)支撐。

海工裝備是新興產(chǎn)業(yè)和高端制造業(yè)的重要組成部分。近年來(lái)，我國(guó)海工裝備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，“海洋石油981”半潛式鉆井平臺(tái)、GM D90型半潛平臺(tái)、“海洋石油117”FPSO、“海洋石油720”十二纜物探船、Tiger型鉆井船、液化天然氣船、“新光華”號(hào)半潛船、1.4萬(wàn)千瓦海洋救助船等一批重點(diǎn)海工裝備都是工程實(shí)驗(yàn)室組成單位通力合作的成功典范，也是踐行上海市科創(chuàng)中心建設(shè)的重要載體，對(duì)推動(dòng)我國(guó)海工裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

在實(shí)驗(yàn)室成立之前，相繼召開了第一屆理事會(huì)第一次會(huì)議，成立技術(shù)委員會(huì)，組建五個(gè)分實(shí)驗(yàn)室并制定未來(lái)三年的發(fā)展規(guī)劃。理事會(huì)會(huì)議推舉MARIC院長(zhǎng)邢文華擔(dān)任理事長(zhǎng)。今后，實(shí)驗(yàn)室將圍繞國(guó)家重大戰(zhàn)略任務(wù)、重點(diǎn)工程對(duì)裝備研制的迫切需求，逐步形成一批重點(diǎn)裝備的自主設(shè)計(jì)建造和配套能力，提升企業(yè)持續(xù)創(chuàng)新能力，為推動(dòng)我國(guó)海工裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和上?？苿?chuàng)中心建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

Resistance research of planing vessel based on STAR-CCM+

SUN Zhi-yuan ZOU Jin TAN Guo-ge ZHANG Yuan-gang
(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The geometric model of the planing vessel is first established to calculate its resistance. Then, the motion of the planing vessel is numerically simulated based on STAR-CCM+ to get the law of the resistance varying with the speed. Finally, the calculation results are found to be in agreement with the experimental data by comparison between each other. It is proved that the resistance of the plaining vessel can be simulated effectively by STAR-CCM+. The method has high accuracy for the cases in the paper, providing reference for the prediction of the resistance of planing vessels.

planing vessel; numerical simulation; resistance; STAR-CCM+

U661.31+1

A

1001-9855（2017）03-0016-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.016

國(guó)家自然科學(xué)基金（51509055）。

2016-11-21；

2016-12-06

孫志遠(yuǎn)（1991-），男，碩士。研究方向：高性能船舶技術(shù)。

鄒 勁（1965-），男，博士，研究員。研究方向：高性能船舶。

談果戈（1992-），男，碩士。研究方向：船舶水動(dòng)力學(xué)。

張?jiān)獎(jiǎng)偅?992-），男，碩士。研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)。