隧道尾雙體船性能分析研究

楊良軍

摘 要：以某具備隧道尾的雙體船為研究對(duì)象，分析其航行與阻力性能特點(diǎn)，開展其性能分析研究。在構(gòu)建完成主船體三維模型的基礎(chǔ)上，選定主要的航速范圍，在CFD 仿真軟件上開展了計(jì)算域確定、邊界條件設(shè)定以及計(jì)算結(jié)果分析等方面的工作。分析結(jié)果表明，該船型的性能較為優(yōu)良，較適用于無人雙體船，該分析結(jié)果為后續(xù)的船型開發(fā)提供了有利的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：雙體船;性能分析;隧道尾

中圖分類號(hào)：U661.4 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）02-0121-02

1引言

在同等噸位下，雙體船比單體船具備更大的甲板面積以及更好的穩(wěn)性[1]，適用于對(duì)于甲板布置要求較高的船型。對(duì)于吃水受限的船型，要增大螺旋槳直徑，隧道尾是最好的選擇之一[2]。對(duì)于隧道尾船型的研究，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。

在兼顧甲板面積與螺旋槳直徑的情況下，船型性能分析要求較高[3]，主要體現(xiàn)在主船體曲面形狀復(fù)雜，CFD計(jì)算網(wǎng)格劃分以及計(jì)算條件的設(shè)定均較為復(fù)雜[4]。

2船型介紹

本文所分析的船型為某具備隧道尾的雙體船，該船主尺度如表1所示。

3計(jì)算模型及計(jì)算條件

3.1計(jì)算模型的建立

根據(jù)船體型線圖和主尺度表對(duì)雙體隧道尾船以1：10的縮尺比進(jìn)行計(jì)算模型三維建模。需計(jì)算實(shí)船在14Kn、15Kn、16Kn、17Kn、18kn下的阻力性能，根據(jù)傅汝德數(shù)相似對(duì)船模航速進(jìn)行換算。對(duì)雙體隧道尾船模型用FINE/Marine商業(yè)軟件分別在2.277m/s、2.440m/s、2.603m/s、2.765m/s、2.928m/s速度下計(jì)算船模的總阻力。

計(jì)算中直接求解三維粘性不可壓多相流體的雷諾平均方程，采用SST湍流模型，近壁處理使用壁面函數(shù)法。

微分方程的離散采用隱式有限體積法，具有2 階空間和時(shí)間精度[5]。

3.2邊界條件

計(jì)算域的具體設(shè)置為：縱向從船艏向上游延伸2倍的船長，從船艉向下游延伸3倍的船長，側(cè)面向外延伸2倍船長，垂直向下延伸3倍船長，向上延伸1倍船長。

入流邊界、出流邊界和船側(cè)對(duì)應(yīng)邊界采用遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件。中縱剖面所在邊界采用對(duì)稱邊界條件。上下邊界采用指定壓力邊界條件。船體表面的邊界條件設(shè)定為固壁無滑移的條件。甲板的邊界條件為滑移邊界，忽略空氣粘性的影響。

對(duì)船體表面曲率變化比較大和物理量梯度變化比較大區(qū)域，如艏部、艉部、自由液面附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密。

所有計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)都約為180萬左右，正交性不小于21.33°，正交性大于72 °的網(wǎng)格比例大于92% 。

4阻力性能計(jì)算

4.1模型尺度下的總阻力計(jì)算

在入流邊界上，水流以1/4正弦函數(shù)的形式在1s內(nèi)增加到給定速度。在計(jì)算收斂的時(shí)間段內(nèi)取3個(gè)完整周期阻力的平均值作為最終船模的總阻力。計(jì)算得模型的阻力如下表。

4.2實(shí)船尺度下的總阻力值

實(shí)船尺度下的總阻力值是根據(jù)模型計(jì)算值或者模型實(shí)驗(yàn)值換算得到的。目前常用的換算方法為基于傅汝德數(shù)相同的換算方法，其換算結(jié)果較為可靠，適用船型范圍廣泛。

船模與實(shí)船只能滿足雷諾數(shù)或傅汝德數(shù)相等其中的一種，一般船模阻力計(jì)算或者船模實(shí)驗(yàn)時(shí)都只考慮船模和實(shí)船的傅汝德數(shù)相等的情況下進(jìn)行的。為了能從船模計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)結(jié)果求得實(shí)船阻力，相關(guān)技術(shù)人員提出了下列假定：

（1）將船體總阻力人為劃分兩部分。第一部分為摩擦阻力Rf，該部分?jǐn)?shù)值與雷諾數(shù)和船舶濕表面積有關(guān);第二部分為剩余阻力Rr，是由粘壓阻力Rpv與興波阻力Rw組合而成的，該部分?jǐn)?shù)值與傅汝德數(shù)和船舶濕表面積有關(guān)。上述關(guān)系的具體表達(dá)式為：

Rt=Rf+Rr ?Rr=Rpv+Rw

Rt=f（Re，F(xiàn)r）=f1（Re）+f2（Fr）

Rf=f1（Re） ? Rr=f2（Fr）

（2）船體的摩擦阻力近似與速度、長度和濕表面積相同的平板所受的摩擦阻力相等。因此，可以用平板摩擦阻力公式計(jì)算船體受到的摩擦阻力。

如果計(jì)算模型與實(shí)船的傅汝德數(shù)相等，便可將數(shù)值計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算得實(shí)船在相應(yīng)速度時(shí)的總阻力。在此基礎(chǔ)上，實(shí)船的總阻力可表示為：

Rts=Rfs+Rrs ? ? ? ? （1）

在相應(yīng)速度時(shí)，即Vs=Vm，由比較定律得：

Rrs=Rrm ? ? ? （2）

則得：

Rts=Rfs+Rrm ? ? ? ?（3）

這里下標(biāo)m，s分別代表船模和實(shí)船的數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述的二因次換算方法進(jìn)行換算。實(shí)船摩擦阻力由常用的基于平板摩擦的公式計(jì)算所得，粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)取0.4。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

二因次換算所得計(jì)算結(jié)果如表4所示。

5結(jié)論

本文的總阻力分析結(jié)果表明，該隧道尾雙體船型性能優(yōu)良，較適合用于甲板面積要求較高的無人船型研發(fā)。后續(xù)研究需要對(duì)其性能進(jìn)一步開展優(yōu)化，以提高其競(jìng)爭力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈春濤.內(nèi)河淺吃水雙尾船振動(dòng)問題分析與對(duì)比研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué)，2015.

[2] 王廣東，戴彤宇.隧道尾排水型快艇性能試驗(yàn)研究[J].船舶工程，2000（02）：17-20+66.

[3] 鄧銳，黃德波，于雷，程宣愷，梁洪光.影響雙體船阻力計(jì)算的流場(chǎng)CFD因素探討[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（02）：141-147.

[4] 唐豐.新型雙體船和三體船阻力性能研究[J].船舶，2007（02）：1-4.

[5] 倪連超，陳震.多航態(tài)高速雙體船阻力計(jì)算研究[D].天津大學(xué)，2005.

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