基于STAR-CCM+的水動(dòng)力翼 對(duì)雙體船阻力影響研究*

姚國全 劉 穎 趙應(yīng)江 邱 鵬

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心2) 武漢 430205)

0 引 言

我國頒布的《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》對(duì)于船舶節(jié)能減排提供了指導(dǎo)性方向，IMO、船級(jí)社、交通運(yùn)輸部對(duì)于船舶EEDI和EEOI標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的強(qiáng)制執(zhí)行，為船舶節(jié)能減排提供了具體技術(shù)指標(biāo)[1-3].在嚴(yán)格控制排放量的同時(shí)，也要開發(fā)更加高效、環(huán)保的高性能船舶.高速雙體船在阻力、操縱、穩(wěn)性以及使用性能方面具有明顯的優(yōu)勢,而近年來復(fù)合型雙體船受到了越來越多的關(guān)注，它不僅結(jié)合了多種優(yōu)良船舶的優(yōu)點(diǎn)，也為新型船舶的設(shè)計(jì)提供了更多思路，將水翼應(yīng)用于雙體船便是一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)，國內(nèi)外對(duì)水翼雙體船的研究已經(jīng)取得了一定成果，并將部分成果應(yīng)用于實(shí)船，獲得了不錯(cuò)的成績.

Souto等[4]通過拖曳水池模型試驗(yàn)對(duì)片體間距調(diào)節(jié)來研究間距大小對(duì)雙體船阻力性能的影響.Broglia等[5]則結(jié)合數(shù)值仿真和試驗(yàn)的方法進(jìn)行了雙體船興波干擾影響的研究，其研究結(jié)果表明片體間距越短，干擾效應(yīng)越強(qiáng)，通過數(shù)值仿真進(jìn)行深入分析，得到壓力場和速度場更加細(xì)致的數(shù)據(jù)，數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)的誤差小與2.2%，仿真結(jié)果有很高的可信度.Kandasamy等[6]研究了一種低興波高速水翼雙體船的優(yōu)化，其中對(duì)水翼的安裝位置，角度以及片體間距對(duì)遠(yuǎn)域興波的影響進(jìn)行了研究.Bruzzone等[7]通過在艏部片體之間安裝中央水動(dòng)力球體研究其對(duì)雙體船耐波性的影響.國內(nèi)關(guān)于雙體船阻力性能以及片體間的興波干擾也有一定的研究，李紹波等[8-9]對(duì)雙體船興波阻力數(shù)值計(jì)算和興波干擾進(jìn)行了研究.李國安等[10]對(duì)近水面水翼影響的船舶興波進(jìn)行了時(shí)域計(jì)算研究.汪禮[11]對(duì)近水面水翼對(duì)雙體船水動(dòng)力性能進(jìn)行了初步研究.陳慶任等[12-13]對(duì)近自由面三維水翼的水動(dòng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究.

本文將采用STAR-CCM+軟件進(jìn)行高速雙體船的數(shù)值模擬，通過分析數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證STAR-CCM+應(yīng)用于雙體船水動(dòng)力性能模擬的可行性，并在此基礎(chǔ)上嘗試探索水動(dòng)力翼在雙體船減阻方面的應(yīng)用，最后進(jìn)行模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到水動(dòng)力翼的安裝位置和角度對(duì)雙體船阻力的影響.

1 基于STAR-CCM+的雙體船數(shù)值仿真

1.1 控制方程及湍流模型

假定流體為不可壓縮流體，其連續(xù)性方程及動(dòng)量守恒方程表達(dá)式為

連續(xù)方程：

(1)

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；μi為速度矢量u在xi方向的分量.

動(dòng)量方程(Navier-Stokes 方程)：

(2)

式中：μj為速度矢量u在j方向的速度分量；p為流體微元體上的壓力；Si為質(zhì)量力；μ為黏度.

此次模擬使用VOF兩相流模型，對(duì)同一連續(xù)體內(nèi)的兩種流體(空氣和水)進(jìn)行建模，并采用基于平均雷諾數(shù)方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)求解瞬態(tài)的粘性繞流場的數(shù)值方法，計(jì)算時(shí)采用k-ε湍流模型，利用有限體積法對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，使用隱式不定常進(jìn)行求解，時(shí)間步長為0.02 s，每個(gè)時(shí)間步長迭代八次[14-15].

1.2 計(jì)算模型和仿真過程

本文的計(jì)算模型采用一高速雙體船模型，縮尺比為8.75，模型主尺度見表1.為建立高精度的船體三維模型，采用CATIA進(jìn)行建模，建模過程中運(yùn)用宏命令快速導(dǎo)入型線，并對(duì)球鼻艏添加了多條輔助型線，在保證曲面光滑過度的情況下，也盡量提高了模型精度，完成的三維模型圖見圖1，模型表面光順，精度較高，符合計(jì)算需求.

表1 高速雙體船主尺度

圖1 高速雙體船模型

計(jì)算域?yàn)?6 m×18 m×27 m, 網(wǎng)格劃分在STAR-CCM+中進(jìn)行，劃分技巧主要是對(duì)流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域如自由液面處，艏艉以及片體間區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)網(wǎng)格加密，并保證網(wǎng)格間過度均勻.本次仿真采用切割體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用VOF兩相流進(jìn)行仿真，采用6DFHI模擬模型的縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)，并監(jiān)測摩擦阻力，興波阻力，總阻力等多個(gè)物理量，對(duì)自由液面和船體中部興波也進(jìn)行監(jiān)測.邊界條件設(shè)置見圖2.

圖2 邊界條件設(shè)置

經(jīng)過多次數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格密度對(duì)結(jié)果存在較大影響，網(wǎng)格數(shù)較過大不僅會(huì)占用過多的計(jì)算資源，增加計(jì)算成本，還會(huì)使計(jì)算周期加長，而網(wǎng)格密度過小會(huì)使計(jì)算結(jié)果精度較差，劃分合適數(shù)量的網(wǎng)格對(duì)整個(gè)仿真十分重要.本文以設(shè)計(jì)航速V=2.695 7 m/s為例，對(duì)五種不同網(wǎng)格密度進(jìn)行計(jì)算，找到最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方式.具體網(wǎng)格和計(jì)算的阻力值見表2，由表2可知，在邊界層網(wǎng)格為8層，網(wǎng)格數(shù)為3×106左右時(shí)計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定.

表2 不同網(wǎng)格數(shù)量下的阻力性能比較

1.3 數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別對(duì)實(shí)船速度V=6,8,10,12,14,15.5和17 kn，對(duì)應(yīng)模型速度分別為V=1.044，1.391，1.739，2.087 0，2.435，2.696和2.957 m/s等七個(gè)速度進(jìn)行了數(shù)值仿真，并對(duì)相應(yīng)速度進(jìn)行了船體模型試驗(yàn).仿真值和實(shí)驗(yàn)值結(jié)果見表3.

表3 各速度點(diǎn)仿真值和試驗(yàn)值對(duì)比

由表3可知，仿真值與試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律基本一致，二者數(shù)值的峰值差距約為3.5%，同時(shí),根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看到船體周圍興波情況也相當(dāng)一致，片體間的首尾興波位置也基本相同，航速尾部興波非常一致，見圖3～4.所以使用Star-CCM+對(duì)高速雙體船進(jìn)行數(shù)值仿真是可行的.

圖3 數(shù)值仿真圖

圖4 設(shè)計(jì)航速數(shù)值仿真與模型實(shí)驗(yàn)船艉興波對(duì)比

2 帶翼型雙體船數(shù)值仿真

2.1 單水翼數(shù)值仿真及結(jié)果分析

通過分析未裝水翼的雙體船進(jìn)行模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)果，可以看出，在設(shè)計(jì)航速，數(shù)值仿真中片體間興波位置與船模試驗(yàn)非常接近，艏艉興波位置分別位于FR09和FR50處稍后.為使水翼得到較大升力，本文將水翼安裝在波浪上升段，水翼位置安裝于FR09與FR50處，水翼高度距基線100 mm.考慮到加工方便，本文采用對(duì)稱型NACA0015，翼型寬度均為100 mm，翼型長度為200 mm.首先分別進(jìn)行艏艉單翼型的數(shù)值仿真，再進(jìn)行雙翼型的仿真，水翼攻角分別為0°，2.5°，5°，7.5°和10°，數(shù)值仿真結(jié)果見圖5.

Cf-摩擦阻力系數(shù)；Cr -剩余阻力系數(shù)； Cl-升力系數(shù)；Ct-總阻力系數(shù)圖5 設(shè)計(jì)航速不同攻角升阻力系數(shù)對(duì)比圖

2.2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

通過對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果分析可見，仿真結(jié)果比較符合預(yù)期，有一定的規(guī)律性可尋：①翼型攻角變化對(duì)摩擦阻力影響較?。虎谌N翼型安裝方式都在攻角5°左右時(shí)，剩余阻力較小，總阻力也較小，呈現(xiàn)最佳的阻力性能；③和未裝翼型的數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)航速首翼型最大減阻率為3.148%，尾翼型最大減阻率為4.612%，雙翼型最大減阻率為6.657%，尾翼型較艏翼型減阻效果好，雙翼型的減阻效果最佳；④翼型升力隨攻角的增加而增大，同角度下尾翼型升力比艏翼型大.

3 雙體船水動(dòng)力翼模型試驗(yàn)

3.1 模型試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

由于本次數(shù)值模擬只進(jìn)行了設(shè)計(jì)航速處的仿真，為了探究水翼對(duì)高速雙體船阻力在更多速度段的影響，同時(shí)也為了驗(yàn)證數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性，進(jìn)行五組試驗(yàn)，選擇0°，2.5°，5°，7.5°和10°五種攻角，在FR09和FR50處分別進(jìn)行單翼型阻力試驗(yàn)，最后進(jìn)行雙翼型試驗(yàn)，試驗(yàn)速度點(diǎn)為V=1.043，1.391，1.739，2.087，2.435，2.696和2.957 m/s，試驗(yàn)結(jié)果見圖6.

圖6 不同攻角與無翼型阻力系數(shù)對(duì)比圖

3.2 試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果分析

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各工況下高速雙體船總阻力在不同速度上呈現(xiàn)不同的變化，總要?dú)w納為以下幾點(diǎn)：①艏翼型狀態(tài)下，低速段阻力增加較為明顯，高速段翼型攻角為5°時(shí)有減阻效果，在V=2.957 m/s最大減阻率為0.939%，經(jīng)實(shí)驗(yàn)過程觀察發(fā)現(xiàn)，該種水翼安裝方法對(duì)導(dǎo)致船體縱傾角過大，從而導(dǎo)致阻力的增加，沒有達(dá)到數(shù)值仿真的減阻效果；②艉翼型狀態(tài)下，低速度段阻力增加較為明顯，在設(shè)計(jì)航速及以上航速狀態(tài)下，模型總阻力出現(xiàn)下降的情況；在V=2.957 m/s時(shí)最大減阻率為2.141%；③對(duì)于首尾均安裝水動(dòng)力翼的情況，在低速段阻力有增大趨勢，在高速段有減小趨勢，在雙水翼攻角均為5°時(shí)有較好阻力性能，速度V=2.957 m/s時(shí)最大減阻率為1.587%.

4 結(jié) 論

1) 通過對(duì)高速雙體船三維建模，找到了一種快速高精度建立船體模型的方法，通過對(duì)型線圖進(jìn)行必要處理，并靈活使用CATIA中的宏命令，對(duì)復(fù)雜曲面添加輔助線對(duì)方式可以快速建立船體的3維模型.

2) 通過使用STAR-CCM+對(duì)高速雙體船進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了比較理想的仿真結(jié)果，在設(shè)計(jì)航速狀態(tài)時(shí)，誤差為2.285%，在多個(gè)速度的仿真，最大誤差僅為3.5%，同時(shí)該軟件計(jì)算速度較快，相比于Fluent軟件能夠節(jié)約較多計(jì)算時(shí)間.

3) 通過對(duì)安裝水動(dòng)力翼的高速雙體船進(jìn)行數(shù)值仿真，初步了解了安裝水動(dòng)力翼對(duì)高速雙體船的阻力性能和流場變化影響，發(fā)現(xiàn)翼型角度為5°時(shí)模型有較好的阻力性能，為模型試驗(yàn)起到了指導(dǎo)作用.

4) 通過進(jìn)行高速雙體船的無水翼模型阻力試驗(yàn)和安裝水翼的多種工況下模型試驗(yàn)，得到了安裝水動(dòng)力翼后模型的阻力性能變化，發(fā)現(xiàn)在低速度段水翼的安裝會(huì)增加船舶的形狀阻力，從而引起總阻力增加，在高速段剩余阻力減小明顯，從而使船舶總阻力減小，艉翼型安裝方式下阻力減小較為明顯，為最佳翼型安裝方式.

5) 通過對(duì)比數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，阻力性能變化基本一致，艉翼型數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)結(jié)果比較接近，艏翼型誤差較大，雙翼型結(jié)果誤差在這兩種情況之間，后續(xù)還需要進(jìn)一步研究.