一種高速雙體船的阻力快速預(yù)報(bào)方法

杜慶森 李文強(qiáng)

摘? ? 要：本文針對高速雙體船的阻力預(yù)報(bào)，利用MAXSURF商業(yè)軟件，以一型高速穿浪雙體船為例，對比了基于Noblesse新細(xì)長體理論方法和CFD方法的預(yù)報(bào)精度。根據(jù)對比結(jié)果，基于Noblesse新細(xì)長體理論方法在高航速段的阻力預(yù)報(bào)具有良好的精度，相比于CFD等方法，可大大提升高速雙體船阻力預(yù)報(bào)效率，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高速雙體船;阻力預(yù)報(bào);CFD;新細(xì)長體理論

中圖分類號：U661.32 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： For the prediction of resistance of a high-speed catamaran， by using MAXSURF software and taking a type of high-speed wave piercing catamaran as an example， the prediction accuracy of the new slender-body theory method and CFD method is compared. According to the comparison results， the resistance prediction of the new slender-body theory method has good accuracy in the high-speed period， compared with CFD method， the calculation module can greatly improve the resistance prediction efficiency of a high-speed catamaran， and has certain engineering application value.

Key words： High-speed catamaran; Resistance prediction; CFD; New slender-body theory

1? ? ?前言

在船舶設(shè)計(jì)過程中，目前普遍應(yīng)用的阻力預(yù)報(bào)方法是理論計(jì)算及CFD方法。

理論計(jì)算方法，是利用流體力學(xué)理論，通過建立船舶理論數(shù)學(xué)模型，將船型參數(shù)代入后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到船舶的總阻力。該方法由于簡化了計(jì)算模型，整個(gè)求解過程相對簡單，但誤差也相應(yīng)偏大。

CFD是計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）的簡稱。CFD方法是利用計(jì)算機(jī)和離散化的數(shù)值模擬方法對流體力學(xué)問題進(jìn)行模擬分析。它通過計(jì)算機(jī)求解控制流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)方程，對粘性或非粘性流體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，部分CFD方法的數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，可以達(dá)到模型試驗(yàn)的精度，但計(jì)算過程耗時(shí)較長。這兩種阻力預(yù)報(bào)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，為保證預(yù)報(bào)精度，船舶設(shè)計(jì)階段一般采用精度相對較高的CFD方法進(jìn)行船舶阻力預(yù)報(bào)。

雙體船型相比于常規(guī)單體船，具有甲板面積大、穩(wěn)性好以及高速阻力性能優(yōu)良的特點(diǎn)，近幾十年來相繼發(fā)展了包括穿浪雙體船、小水線面雙體船、半水線面雙體船等多種高性能船型。

本文提出了一種基于新細(xì)長體理論的雙體船阻力計(jì)算預(yù)報(bào)方法，可快速準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)雙體船阻力性能，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了工程應(yīng)用的要求，為雙體船阻力預(yù)報(bào)提供一種簡潔有效的方法。

2? ? ?新細(xì)長體船理論

高速雙體船阻力包括粘性阻力和興波阻力。本文對高速雙體船的興波阻力預(yù)報(bào)，采用的是基于改進(jìn)的Noblesse新細(xì)長體理論;粘性阻力中的摩擦阻力系數(shù)Cf采用ITTC-57公式計(jì)算;粘性阻力系數(shù)采用“1+k”法。

Noblesse新細(xì)長體船理論，是假設(shè)：（1）流體理想、船舶在無限深廣水域中以恒速航行;（2）單個(gè)片體產(chǎn)生的波不會影響另一個(gè)片體的興波特性;（3）單個(gè)片體不反射另一個(gè)片體產(chǎn)生的船行波等。

根據(jù)以上假設(shè)，可得雙體船總阻力為：

通過計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的對比（見圖2），發(fā)現(xiàn)在較大的付氏數(shù)（Fn=0.2～0.7）范圍內(nèi)，Wigley船型的興波阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，這說明采用Noblesse新細(xì)長體理論方法進(jìn)行高速雙體船阻力預(yù)報(bào)是具備可行性的。

3? ? 計(jì)算實(shí)例

穿浪雙體船是上世紀(jì)八十年代在小水線面雙體船（SWATH）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高性能船型。它保留了SWATH船型的低阻力、甲板面積大等優(yōu)點(diǎn)，融合了深V船型優(yōu)良的耐波性能，并改善了SWATH片體儲備浮力和片體空間小等缺陷，在軍事及民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

本文對某穿浪雙體船在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的航行阻力，分別采用CFD方法和基于Noblesse新細(xì)長體理論方法進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，并將計(jì)算結(jié)果與阻力模型試驗(yàn)結(jié)果對比，以評估兩種估算方法的預(yù)報(bào)精度差異。

3.1? ?采用CFD計(jì)算方法

在CFD計(jì)算方法中，為最大程度的減小由于數(shù)值計(jì)算模型而造成的計(jì)算誤差，采用合適的三維船體模型網(wǎng)格劃分是十分必要的。

本文的網(wǎng)格劃分采用ICEM商業(yè)軟件。由于穿浪雙體船兩個(gè)片體水下部分對于中縱剖面對稱，故以單個(gè)片體為研究對象，通過多次對比分析了計(jì)算域沿片體各個(gè)方向尺寸的大小對計(jì)算結(jié)果的影響，確定了計(jì)算流域空間如下：

（1）長度方向—船體模型由船首向前延伸1.5倍船長、向船尾延伸3倍船長;

（2）垂向方向—船體模型底部向下延伸12個(gè)吃水;

（3）橫向方向—船體模型沿兩片體外側(cè)向船寬方向各延伸5個(gè)片體度。

計(jì)算域網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)型的混合網(wǎng)格形式（見圖4）。

在設(shè)置合適的邊界條件后，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行CFD計(jì)算。選取k-ω湍流模型，通過求解粘性流體時(shí)均化的N—S控制方程和連續(xù)方程，采用有限體積法，并基于SIMPLE算法對流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求得最終結(jié)果。

3.2? ?采用Noblesse新細(xì)長體理論方法

本文采用MAXSURF軟件中的Resistance模塊。將船體模型導(dǎo)入Resistance模塊后，選擇細(xì)長體理論作為分析方法，通過設(shè)定網(wǎng)格區(qū)域劃分范圍及數(shù)量，自動(dòng)生成片體網(wǎng)格模型。圖5所示為該船片體模型及水下部分形成的四邊形網(wǎng)格，尾部之后的網(wǎng)格為虛擬附體網(wǎng)格。

3.3? ?計(jì)算結(jié)果對比

將上述兩種方法的預(yù)報(bào)結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對比，如圖6及表1所示。

綜上分析，認(rèn)為基于Noblesse新細(xì)長體理論的方法，在部分航速段下的高速雙體船興波阻力預(yù)報(bào)具有良好的精度，具備工程應(yīng)用條件。

4? ? ?結(jié)論與展望

本文針對高速雙體船阻力的預(yù)報(bào)，利用MAXSURF商業(yè)軟件，以某穿浪雙體船為例，對比了基于Noblesse新細(xì)長體理論方法和CFD方法的阻力預(yù)報(bào)精度。對比結(jié)果表明：基于Noblesse新細(xì)長體理論方法在高航速段（Fn>0.5）的阻力預(yù)報(bào)具有良好的精度，同時(shí)由于在MAXSURF商業(yè)軟件集成了新細(xì)長體理論計(jì)算模塊，整個(gè)預(yù)報(bào)可在五分鐘內(nèi)得到多個(gè)航速段下的阻力結(jié)果，相比CFD等方法可大大提高阻力預(yù)報(bào)效率，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

由于本文選取的驗(yàn)證樣本較少，后續(xù)將進(jìn)一步針對Noblesse新細(xì)長體理論方法在不同高速雙體船船型阻力預(yù)報(bào)情況進(jìn)行驗(yàn)證研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧芳，鄧魏彬. 雙體船阻力阻力性能計(jì)算及船型設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]，青島科技大學(xué)學(xué)報(bào) ，2015（1）：72-76.

[2] 汪誠儀.高速雙體船阻力特征及其應(yīng)用[J].中國造船，1994（8）：28-39.

[3] 周翀劍，柳存根. 汪學(xué)鋒， 傅惠萍. 高速雙體船阻力估算方法研究[J]，中國造船，2014（4）：26-32.

[4] Moraes H B， Vasconcellos J m， Latorre R G. Wave resistance for high-speed catamarans[J]. Engineering， 2004（31）：2253-2282.

[5]? 李培勇等. 超細(xì)長三體船阻力計(jì)算研究[J]. 船舶工程，2002（2）：10-12.

[6] Francls Noblesse. A Slender-Ship Theory of Wave Resistance. Journal of Ship Research[J]， 1983（27）： 16-30.

[7]李云波，黃德波. 一種雙體船興波阻力計(jì)算方法[J]. 船舶力學(xué)，2002（5）：9-13.

[8]李志恒. 基于CFD的高速方尾船粘性阻力預(yù)報(bào)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2011（3）：35-40.

[9] 于文剛等. 多附體中高速船阻力研究[J]. 廣東造船，2013（6）：56-62.