高速船舶阻流板降阻機(jī)理分析

王娉婷

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的革新，高速船舶的運(yùn)行安全是人們研究和關(guān)注的重點(diǎn)，通過(guò)對(duì)高速船舶阻流板降阻機(jī)理分析實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)行安全。基于此，本文以高速船舶阻流板降阻機(jī)理作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)高速船舶的阻力特性進(jìn)行分析，分別從船舶CFD技術(shù)和二維阻流板降阻機(jī)理等方面詳細(xì)闡述高速船舶阻流板降阻機(jī)理，從而在一定程度上減小船舶的阻力，提高高速船舶的適航性，如果將高速船舶阻流板降阻機(jī)理應(yīng)用在高速船舶設(shè)計(jì)中，有利于建設(shè)節(jié)能綠色船舶設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的共同發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高速船舶；阻流板；降阻機(jī)理

引言：

改革開(kāi)放以來(lái)，人們的生活水平有了穩(wěn)步的提高，人們?cè)跐M(mǎn)足于物質(zhì)生活的同時(shí)，對(duì)自己的精神世界有了更高的追求，人們的發(fā)展觀念發(fā)生了改變，意識(shí)到了能源的重要性，也明確了生態(tài)環(huán)保的理念。因此高速船舶阻流板降阻機(jī)理應(yīng)運(yùn)而生，滿(mǎn)足我國(guó)能源儲(chǔ)備問(wèn)題，迎合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，改善能源緊缺現(xiàn)狀，改善粗放式經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，緩解社會(huì)與經(jīng)濟(jì)、能源之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)全范圍的節(jié)能減排。

1.高速船舶阻力特性分析

高速船舶阻流板降阻機(jī)理研究中需要對(duì)高速船舶的阻力特性進(jìn)行分析，高速船舶的尾部形狀一共有三種形式，第一種形式是橢圓形船尾，第二種形式是巡洋艦船尾，第三種形式是方尾，不同的高速船舶針對(duì)自己的特性都會(huì)選擇合適的尾部和首部形狀，例如方尾船尾有艉封板，如果船在高速運(yùn)行的狀態(tài)下就可以選擇這種方式。這種情況下船尾的優(yōu)點(diǎn)就十分明顯，高速船舶的尾部坡度變小，底部幾乎處于平面狀態(tài)，高速運(yùn)行時(shí)水流可以沿著船舶，以垂直的方向進(jìn)行流動(dòng)，極大程度上降低能量的消耗，也提高了阻力，保證了高速船舶的平穩(wěn)運(yùn)行。方尾在高速船舶中使用比較普遍，英國(guó)高速船舶NPL系列、瑞典高速排水型系列以及蘇聯(lián)方尾輕型艦艇系列都是采用方尾實(shí)現(xiàn)的高速船舶阻流板降阻，科學(xué)家和設(shè)計(jì)者會(huì)通過(guò)圖譜加以理解，從中獲得參數(shù)參考，方便進(jìn)一步的高速船舶阻流板降阻機(jī)理研究。

探究高速船舶阻流板降阻機(jī)理時(shí)可以對(duì)阻力進(jìn)行初步的預(yù)算估計(jì)，設(shè)計(jì)船舶的時(shí)候，初始階段的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，很多尺寸參數(shù)都是從中獲得，在設(shè)計(jì)的時(shí)候不僅要結(jié)合實(shí)際需求，還要方便工作人員手工計(jì)算，在大量的試驗(yàn)中可以使用圖譜法進(jìn)行預(yù)估，正常行駛狀態(tài)下，高速船舶主要是借助水的浮力與動(dòng)力，在二者之間的綜合作用下完成高效形式，人們使用弗勞德數(shù)計(jì)算，了解到高速船舶的航行狀態(tài)，無(wú)論是半滑行狀態(tài)還是過(guò)渡狀態(tài)都可以以此進(jìn)行預(yù)估[1]。

2.高速船舶阻流板降阻機(jī)理分析

2.1船舶CFD技術(shù)應(yīng)用

近些年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及應(yīng)用，計(jì)算機(jī)與數(shù)值算法得到了飛躍性的進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)流體學(xué)從中有了進(jìn)展，這種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中和高速船舶阻流板降阻機(jī)理實(shí)驗(yàn)中費(fèi)用較低，沒(méi)有觸點(diǎn)流場(chǎng)測(cè)量，可以有效的消除物模通過(guò)傳感器尺寸給流場(chǎng)帶來(lái)的影響。在高速船舶阻流板降阻機(jī)理研究中可以應(yīng)用到船舶CFD技術(shù)，使用納維斯洛克斯方程進(jìn)行計(jì)算，但是這種方程有著不可避免的缺陷，它只可以清晰的描述高速船舶阻流板降阻機(jī)理中層流的問(wèn)題，但是當(dāng)高速船舶運(yùn)行的時(shí)候很多時(shí)候流動(dòng)問(wèn)題都是湍流，流速毫無(wú)變化規(guī)律，人們通過(guò)觀察無(wú)法掌握規(guī)律的運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)論是時(shí)間還是空間，高速船舶運(yùn)行的速度場(chǎng)表現(xiàn)出隨機(jī)性，如果依舊使用傳統(tǒng)而單一的數(shù)值模擬方式進(jìn)行模擬，得到的脈動(dòng)結(jié)果是無(wú)法有效果的，而且經(jīng)過(guò)研究得知高速船舶阻流板降阻機(jī)理紅湍流模型尺寸，較大的漩渦會(huì)影響到高速船舶阻流板降阻機(jī)理的結(jié)果，因此，可以使用平均數(shù)的辦法解決高速船舶阻流板降阻機(jī)理中存在的無(wú)規(guī)律湍流問(wèn)題，減少誤差，提高結(jié)果的精確性。

與其他的流場(chǎng)不同，高速船舶在水面運(yùn)行的時(shí)候會(huì)有一個(gè)特殊的面存在，這個(gè)特殊面就是自由液面，自由液面的計(jì)算是實(shí)現(xiàn)高速船舶阻流板降阻機(jī)理研究的關(guān)鍵步驟，如果計(jì)算失誤會(huì)影響到結(jié)果的真實(shí)性。在眾多研究方法當(dāng)中，歐拉法數(shù)值模擬比較普遍，這種方法指出了當(dāng)網(wǎng)格固定不動(dòng)的時(shí)候，如果使用單一的方式對(duì)高速船舶自由液面進(jìn)行追蹤，追蹤的時(shí)候不需要對(duì)網(wǎng)格重新來(lái)劃分，及時(shí)模擬的自由液面十分復(fù)雜，也不會(huì)有過(guò)多過(guò)復(fù)雜的計(jì)算步驟。由此可見(jiàn)，初始化的網(wǎng)格設(shè)置質(zhì)量會(huì)直接影響甚至決定這高速船舶阻流板降阻機(jī)理研究與自由液面計(jì)算的精確度，即使是復(fù)雜的問(wèn)題，使用歐拉法也可以迎刃而解。高速船舶阻流板降阻機(jī)理研究中通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)，采用CFD技術(shù)進(jìn)行分析，可以對(duì)一定的計(jì)算流域?qū)崿F(xiàn)模型研究，并且順利生成計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格。將點(diǎn)的集合能分布在即將計(jì)算的區(qū)域內(nèi)，在區(qū)域內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)之間建立起有關(guān)聯(lián)的信息，從而實(shí)現(xiàn)信息的利用，所有的信息都會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)被收集和存取，需要使用的時(shí)候直接取用即可。計(jì)算域會(huì)影響到高速船舶阻流板降阻機(jī)理研究的準(zhǔn)確性，如果流域過(guò)小，整個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果都會(huì)受到邊界的影響，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)了失真，如果流域過(guò)大，網(wǎng)格劃分的難度增加，網(wǎng)格的數(shù)量增加，這對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)將要耗費(fèi)大量的內(nèi)存，累計(jì)的數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致誤差存在[2]。

美國(guó)海軍近日宣布，“俾斯麥?zhǔn)小碧?hào)（EPF-9）在2017年9月成功完成了船廠試航。它進(jìn)行了艦艇準(zhǔn)備狀態(tài)測(cè)試，包括通訊和導(dǎo)航系統(tǒng)、船舶推進(jìn)、行駛控制和污染控制系統(tǒng)的校準(zhǔn)，這是一艘鋁合金雙體船，是該公司生產(chǎn)的12艘先鋒級(jí)遠(yuǎn)征高速運(yùn)輸艦的第九艘，它將給海軍帶來(lái)高速高效的運(yùn)輸能力。該船能以35節(jié)的速度滿(mǎn)負(fù)荷航行，可運(yùn)載600噸貨物，包括坦克、兩棲突擊載具、軍人等。美國(guó)海軍方面稱(chēng)如果通過(guò)了試航，這艘船將前往弗吉尼亞州的諾?？撕＼娀亟邮芘嘤?xùn)與認(rèn)證，然后再被派往世界各地[3]。

2.2二維阻流板降阻機(jī)理分析

高速船舶航行的過(guò)程中具有流體繞流的作用，整個(gè)船舶在航行的過(guò)程中都會(huì)受到尺寸、船型以及速度的影響，而且高速船舶航行的環(huán)境中水流的情況比較復(fù)雜，阻流板和船體互相干擾，由于船舶的類(lèi)型多種多樣，即使在某一特定環(huán)境下阻流板會(huì)對(duì)高速船舶的航行造成影響，產(chǎn)生的水動(dòng)力性能相同，但是船舶四周的流動(dòng)以及漩渦情況也會(huì)不同，高速船舶阻流板降阻機(jī)理的針對(duì)性研究十分關(guān)鍵。二維阻流板降阻機(jī)理的分析有效提高了研究的可靠性，將三維問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)二維狀態(tài)下的思維模式，以船舶的中縱剖面作為研究對(duì)象，將橫向流動(dòng)對(duì)于流體速度的影響忽略，直接考慮對(duì)阻流板的應(yīng)先即可。如果只是單一的研究一種高速船舶的型線，就會(huì)導(dǎo)致高速船舶阻流板降阻機(jī)理研究結(jié)果過(guò)于局限，因此要采用不同的角度進(jìn)行分析，尋找其中的共性和個(gè)性問(wèn)題，對(duì)實(shí)體船只的中縱剖面縮放，比例10：1即可，然后使用平板來(lái)代替高速船舶的船底地板，進(jìn)行模擬即可。

使用二維局部流動(dòng)性模擬船舶運(yùn)行的動(dòng)力特征，隨著參數(shù)的變化研究變化的趨勢(shì)，二維代替了三維模擬，避免了船體對(duì)阻流板的干擾，減少計(jì)算步驟，減輕計(jì)算量，防止高速船舶阻流板降阻機(jī)理研究出現(xiàn)局限性。于此同時(shí)，研究尾部流場(chǎng)的影響，了解動(dòng)壓里情況，分析液體的流動(dòng)方向，從而保證二維模擬的狀態(tài)下高速船舶阻流板降阻機(jī)理研究更加真實(shí)，計(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

總結(jié)：

總而言之，在計(jì)算機(jī)技術(shù)與多種算法的幫助與支持下，人們加深了對(duì)高速船舶阻流板降阻機(jī)理的研究，利用相應(yīng)的軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速船舶運(yùn)行的了解，并采用二維替代三維的模式對(duì)高速船舶進(jìn)行模擬，簡(jiǎn)化了計(jì)算的步驟，使用歐拉法對(duì)自由液面進(jìn)行分析，完成了高速船舶流暢的數(shù)值模擬過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了研究的目的和意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃技. 高速船舶阻流板降阻機(jī)理分析[D].大連海事大學(xué)，2013.

[2]周利蘭. 高速排水型船舶尾浪的數(shù)值研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

[3]陳鐵云，王剛.高速船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中流體沖擊載荷的數(shù)值計(jì)算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（11）：32-35+45.