截流板/尾楔對加裝T型水翼的雙體船阻力影響的數(shù)值計(jì)算

許慧洋 崔耀菲

摘? ? 要：加裝T型水翼能改善雙體船的耐波性，但同時會引起船體總阻力的增加。在船體尾部加裝截流板/尾楔，可以改善尾部流場，提升船體的阻力性能。本文對截流板/尾楔對加裝T型水翼的雙體船阻力性能的影響進(jìn)行了研究。采用CFD數(shù)值計(jì)算方法對加裝截流板/尾楔的雙體船尾部流場進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果顯示，本文所采用的方法能夠用于加裝附體的雙體船的阻力預(yù)報(bào)，截流板/尾楔能夠改善雙體船的尾部流場，從而降低加裝T型水翼的雙體船的阻力。

關(guān)鍵詞：截流板;尾楔;雙體船;水翼;減阻

中圖分類號：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： T-foils can improve the seakeeping performance of a catamaran， and at the same time increase the total hull resistance. Adding interceptor/wedge to the stern of the hull can improve the flow field of ship and reduce the hull resistance. This paper studies the influence of interceptor/stern-wedge on the resistance of catamaran with T-foils. The flow field at the stern of a catamaran fitted with interceptor/wedge is simulated by CFD numerical method. The results show that the method used in this paper can be used to predict the resistance of the catamaran with appendages， and the interceptor/wedge can improve the flow field at the stern， so as to reduce the resistance of the catamaran with T-foils.

Key words： Interceptor; Stern-wedge; Catamaran; Foils; Resistance reduction

1? ? 引言

近年來，隨著雙體船在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用越來越多，雙體船抗縱搖能力差的特點(diǎn)也逐漸暴露出來。為了解決這一問題，現(xiàn)在許多雙體船都加裝T型水翼等減搖附體。裝有T型水翼的雙體船在水中航行時，水翼通過產(chǎn)生升力阻尼來降低雙體船的縱搖運(yùn)動，從而有效改善雙體船的耐波性。但同時T型水翼也會不可避免地引起船舶阻力增加，而截流板和尾楔等尾部附體能夠通過改善船體尾部的流場，從而達(dá)到改善船體阻力性能的目的，引起了廣泛的研究。

本文通過CFD數(shù)值計(jì)算方法，對加裝T型水翼和截流板/尾楔的雙體船進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了截流板、尾楔對加裝T型水翼的雙體船的流場的影響，分析了加裝T型水翼的截流板的阻力性能隨截流板的深度和尾楔的角度的變換規(guī)律。結(jié)果顯示，截流板/尾楔能夠降低艦船尾部來流的速度，減小艦船尾部壓力損失，從而引起首尾水動力壓差的明顯減小，最終導(dǎo)致了興波阻力的減小。對于雙體船而言，截流板的深度取船長的0.1%～0.2%為宜，尾楔角度取8°～10°為宜。

2? ?數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算方法

2.1? 控制方程及湍流模型

本文采用歐拉兩相流模型來模擬非定常不可壓縮粘性流體;采用時間平均的雷諾方法（RANS）結(jié)合Realizable k-ε湍流模型對N-S方程進(jìn)行封閉;采用VOF體積分?jǐn)?shù)法對自由液面進(jìn)行模擬。

不可壓縮流體的連續(xù)性方程：

2.2? 船體運(yùn)動的數(shù)學(xué)方程

對于高速船舶而言，高速階段船舶的縱傾和排水體積等參數(shù)與初始狀態(tài)會有非常大的差異，因此高速船的阻力預(yù)報(bào)中要放開船體運(yùn)動的自由度，對船體的運(yùn)動也要同時進(jìn)行模擬。本文在模擬時放開了雙體船的縱搖和升沉兩個方向上的自由度。船舶在水中的六自由度運(yùn)動方程如下：

3? ? 計(jì)算模型及精度驗(yàn)證

3.1? ?模型尺寸及試驗(yàn)

本文的研究對象為大型雙體船，試驗(yàn)所用模型縮尺比為1：25，其主體結(jié)構(gòu)如圖1（a） 所示。由于本文只計(jì)算船體在水中的阻力，因此船體的連接橋結(jié)構(gòu)和上層建筑等結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了簡化處理，這對實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有影響。T型水翼、截流板和尾楔的具體結(jié)構(gòu)，分別如圖1（b） ～圖1（d） 所示。其中，截流板的布置形式為由尾封板向下伸出一致、與船長方向垂直，楔形塊布置在船體尾部的船底板上，楔形塊的尾部與船體尾封板平齊，底部與船長方向呈一定的角度。試驗(yàn)?zāi)Ｐ图案襟w的參數(shù)如表1所示。

3.2? 邊界條件設(shè)置及網(wǎng)格劃分

控制域及邊界條件設(shè)置如圖2所示。船首前方距入口為1.5個船長、距左右兩側(cè)及上下兩側(cè)為1.5個船長;船尾距出口保留3個船長的距離，以保證尾流的充分發(fā)展。整個計(jì)算域分為上下兩個部分：上半部分為氣相，流體為空氣;下半部分為液相，流體為水，中間通過VOF方法模擬出自由液面;設(shè)置入口處邊界條件為速度入口、出口處邊界條件為壓力出口;兩側(cè)以及上下為固壁邊界條件。

采用Trimmer切割體網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了更為準(zhǔn)確的模擬出船體的流場運(yùn)動情況以便捕捉船體表面的壓力和周圍流體的速度，對船體周圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密，同時對自由液面附近的網(wǎng)格也進(jìn)行加密，以便捕捉自由液面的波幅變化和興波情況。計(jì)算域的最終網(wǎng)格總數(shù)為162萬。

3.3? 數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度驗(yàn)證

設(shè)置截流板下插深度為4 mm、尾楔的下壓角度為10°;選取模型航速為1.852～4.733 m/s（換算到實(shí)船為18～46 kn）。對設(shè)置好的計(jì)算模型分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，將計(jì)算得到的阻力結(jié)果與試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可行性和結(jié)果的精度。表2和圖3分別顯示了數(shù)值計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果的對比。

從表2和圖3可以看出，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果符合較好。在最初始的低速階段，由于模型阻力的值較小，造成計(jì)算的相對誤差較大;隨著速度的增加，數(shù)值計(jì)算精度開始提升。在中高速階段，計(jì)算值的相對誤差大部分控制在4%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了較高精度的模擬。

4? ?數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

4.1? 截流板對船體阻力的影響

分別設(shè)置截流板高度為h=0（無截流板）、2、4、6、8、10 mm，計(jì)算在不同速度下的船體阻力值，并分析不同速度時截流板深度變化對船體尾部流場及阻力的影響。

從圖4可以看出，截流板對船底的來流有著明顯的阻滯作用。在截流板的前方附近出現(xiàn)了一個低速區(qū)域，在尾封板的后方的水流速度也有所降低，而且隨著截流板的深度增加這個低速區(qū)域的范圍也不斷增大;與沒有截流板的情況相比，尾封板下方和后方的的速度下降明顯，因此會在此處形成一個高壓區(qū)域，產(chǎn)生一個向上的力和力矩調(diào)節(jié)船體的縱傾;同時，尾封板附近的來流速度降低也能降低螺旋槳的進(jìn)速，進(jìn)一步提升螺旋槳的效率。

從圖5可以看出，在相同速度下，雙體船的阻力隨著截流板的深度增加而呈非線性變化;在低速階段，截流板深度為2～4 mm時船體的總阻力最小;但隨著截流板深度的增加，船體的總阻力也隨之增加，在截流板深度達(dá)到10 mm時船體的總阻力已經(jīng)和只加裝T型水翼不加裝截流板時的阻力基本持平;在中速階段，截流板的減阻效果更加明顯，減阻效果最優(yōu)的截流板深度為6 mm左右;而在高速階段，截流板依然有很好的減阻效果，減阻效果最好的截流板深度為4 mm左右，而且隨著截流板深度的增加，船體的總阻力也迅速的增加。在船模航速為4.733 m/s時，當(dāng)截流板的深度超過8 mm之后，船體的總阻力已經(jīng)超過只加裝水翼時的情況，船體的總阻力反而有增加的趨勢。

4.2? 尾楔角度對船體阻力的影響

分別設(shè)置尾楔的角度為a=0°、6°、8°、10°、12°，計(jì)算在不同速度下的船體阻力值，并分析尾楔角度對船體阻力的影響。

從圖6可以看出，尾楔的作用原理與截流板類似，但又有不同。在尾楔的前方和下方，來流的方向有所變化，但水流速度并沒有明顯的下降;但在尾楔后方，卻存在一個相當(dāng)大的低速區(qū)域，而且隨著角度的不斷增大，低速區(qū)域的面積也不斷增大，速度下降也更為厲害。與沒有尾楔的情況相比，在相同航速下尾封板后方的速度明顯變緩，這在一定程度上也緩解了尾部的興波，對船體的快速性是有利的。

圖7給出了不同航速下，隨著尾楔角度的增加，船體的阻力的變化情況。雖然隨著尾楔角度的增加，船尾封板后方的速度下降較明顯，但船體的阻力并非是角度越大阻力越小。從圖7中可以看出，總體而言船體阻力隨尾楔的角度呈先減后增的趨勢，而且在不同航速下船體阻力最優(yōu)的尾楔角度也不同：在低速階段，楔形塊角度為6°～ 8°時船體的阻力最小;在中高速階段，楔形塊角度為10°左右時船體的阻力最小;此后，隨著角度的增大，船體阻力又呈上升趨勢。

5? ?結(jié)語

通過對加裝截流板/尾楔和T型水翼的雙體船的阻力性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究，得出如下結(jié)論：

（1）CFD數(shù)值計(jì)算方法可以應(yīng)用于雙體船的阻力性能計(jì)算研究，其精度誤差在可控制允許的范圍內(nèi);

（2）截流板/尾楔對加裝T型水翼的雙體船具有減阻的效果，其中截流板的減阻效果略好于尾楔的減阻效果;

（3）在不同速度階段，阻力性能最好時截流板深度和尾楔的角度各不相同。就總體而言，截流板的深度取為船長的0.1%～0.2%、尾楔的角度為8°～10°為宜。

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