肥大型氣泡船底部凹槽構(gòu)型設(shè)計(jì)及優(yōu)化＊

吳 浩 歐勇鵬

（海軍工程大學(xué)艦船工程系 武漢 430033）

0 引 言

目前，氣層減阻技術(shù)引起了國際造船企業(yè)廣泛的關(guān)注和研究，該技術(shù)在俄羅斯發(fā)展最為成熟，大批的氣泡船被建造并投入運(yùn)營，荷蘭、日本及西歐的一些研究機(jī)構(gòu)也分別開展了大規(guī)模的實(shí)船演示驗(yàn)證［1－3］.我國氣層減阻技術(shù)在高速艇上的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了較大突破［4－5］，但針對(duì)排水型運(yùn)輸船舶減阻方案的研究尚處于起步階段.陳克強(qiáng)等［6－7］，針對(duì)過渡型高速艇開展了噴氣減阻試驗(yàn)研究，并在循環(huán)水槽里開展了某低速船的噴氣減阻模型試驗(yàn)［8］.王 家 楣 等［9－10］開 展 了 船 舶 吃 水 及 噴氣位置對(duì)微氣泡減阻效果影響的試驗(yàn)研究.其研究結(jié)果表明，吃水、噴氣位置、航速同時(shí)影響微氣泡減阻效果；噴氣位置及航速不同，吃水對(duì)減阻率的影響規(guī)律不同.而目前尚未有對(duì)10萬t級(jí)大型運(yùn)輸船舶氣層減阻設(shè)計(jì)的相關(guān)研究.

鑒于上述原由，開展了載重量95 000t散貨船噴氣減阻方案設(shè)計(jì)，數(shù)值研究了船底凹槽構(gòu)型對(duì)氣層形成、與船底適配性及船體阻力的影響規(guī)律.試圖通過構(gòu)型的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，為突破大型氣泡船的船型技術(shù)提供有益幫助.

1 設(shè)計(jì)原則

由文獻(xiàn)［4－5］可知，在船底設(shè)置凹槽并噴氣可大幅降低船舶的航行阻力.然而凹槽參數(shù)對(duì)氣層的穩(wěn)定性及氣層與船體的適配性有重要影響.一般認(rèn)為，船底凹槽設(shè)計(jì)應(yīng)遵從以下原則：（1）船底設(shè)置凹槽后，不噴氣下的阻力增加不大，噴氣后阻力可大幅降低.（2）凹槽面積盡量大，以保證足夠的氣層覆蓋面積.（3）凹槽對(duì)氣層具有良好的保護(hù)效果，使得氣層具備較強(qiáng)的抵抗外界干擾的能力.（4）凹槽具有良好的導(dǎo)流功能，氣體從凹槽首部向尾部流動(dòng)，并從恰當(dāng)?shù)奈恢锰幤椒€(wěn)離開凹槽，不會(huì)對(duì)螺旋槳、舵等的性能帶來不利影響.

通過建立大型氣泡船數(shù)值模型，在上述原則的指導(dǎo)下開展船底凹槽設(shè)計(jì)，試圖提出有效的大型船舶氣層減阻設(shè)計(jì)方案.

2 RANS數(shù)值計(jì)算方法

母型船為載重量95 000t散貨船，船模的基本參數(shù)見表1.

表1 散貨船模型船體參數(shù)

在計(jì)算過程中，針對(duì)不同的問題采用不同的數(shù)值方法.在進(jìn)行凹槽構(gòu)型方案對(duì)比時(shí)，氣層主要影響底部流場(chǎng)，可忽略船體興波的影響，將自由興波面簡(jiǎn)化為固定的無摩擦壁面，網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)置見圖1.在開展噴氣減阻率預(yù)報(bào)時(shí)，計(jì)入船體自由面興波的影響，網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)置見圖2.

圖1 疊模網(wǎng)格方案及邊界設(shè)置

圖2 計(jì)入自由面興波的網(wǎng)格方案及邊界設(shè)置

圖1 中，流域采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散，網(wǎng)格總數(shù)為110萬.入口為速度入口，距離船首1倍船長(zhǎng)；出口為靜壓出口，距離船尾2倍船長(zhǎng).流場(chǎng)側(cè)面距離船體表面1倍船長(zhǎng)，均設(shè)置為光滑壁面，中縱剖面設(shè)置為對(duì)稱面.

圖2中，計(jì)算區(qū)域采用混合網(wǎng)格進(jìn)行離散，分為內(nèi)域和外域兩個(gè)部分.內(nèi)域?yàn)榫嚯x船體1倍船長(zhǎng)的范圍，采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散，外域則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散.網(wǎng)格單元總數(shù)為180萬.

在上述2種網(wǎng)格方案中，船體表面上的網(wǎng)格布局基本一致，船體表面法向設(shè)置邊界層網(wǎng)格，在所計(jì)算的速度范圍內(nèi)，y＋值為40～150.船體表面上的全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格見圖3.

圖3 船體表面上的全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

采用上述網(wǎng)格劃分方案，通過求解RANS方程對(duì)噴氣作用下的大型船舶粘性流場(chǎng)進(jìn)行分析，湍流模型為RNGk－ε模型，兩相流為VOF方法；控制方程的離散為二階迎風(fēng)格式，壓力與速度的耦合為SIMPLEC算法，收斂精度為10－4.

3 凹槽構(gòu)型方案

圖4給出了船底凹槽4種設(shè)計(jì)方案的示意圖，凹槽基本參數(shù)見表2.表中：Lh／Lwl為凹槽長(zhǎng)度與水線長(zhǎng)之比；Bh／Bwl為凹槽寬度與水線寬之比；S／Sw為凹槽面積與濕表面積之比.

圖4 凹槽的不同設(shè)計(jì)方案示意圖

表2 船底凹槽方案及其參數(shù) %

凹槽從平底首部開始，凹槽頭部為弧形，寬度逐漸增加直至為水線寬的82.11%，之后寬度保持不變向后延伸，凹槽尾部具有斜坡構(gòu)型.4種凹槽的不同之處主要在于凹槽的尾部形狀及截止位置.凹槽的不同設(shè)計(jì)方案示意圖見圖4.方案1的尾部寬度與凹槽總寬一致；方案2的內(nèi)部設(shè)置2塊縱向隔板，將凹槽分割為3個(gè)部分，其中兩個(gè)側(cè)面凹槽長(zhǎng)度一致，寬度為20.53%Bwl，居中的凹槽長(zhǎng)度略大，寬度為41.05%Bwl，凹槽尾部呈階梯型；凹槽方案3的尾部逐漸收縮，尾端寬度為41.05%Bwl.凹槽方案4與方案3基本一致，主要不同之處為方案4的凹槽尾部設(shè)置有一個(gè)輪廓為半弧形的導(dǎo)流塊.

4 方案對(duì)比及優(yōu)化

4.1 氣層適配性

圖5給出了Fr＝0.155，Cq＝0.056不同凹槽方案下的船底氣層圖像，凹槽深度均為0.45%Lwl.從圖5可見，噴氣后，4種凹槽方案均可形成長(zhǎng)氣穴，將船底的大部分面積與水完全隔離開來.凹槽形式對(duì)氣層形成的影響不大，但對(duì)氣體的溢出有所影響.采用凹槽方案1及方案2時(shí)，氣體從凹槽尾部及凹槽首部稍后位置處溢出；采用凹槽方案3及方案4時(shí)，氣體主要從凹槽尾部?jī)蓚?cè)溢出.

圖5 不同凹槽方案的船底氣層圖像

圖6 為不同凹槽方案下，船體表面上的氣相分布圖.從圖6可以看出：采用凹槽方案1與方案2時(shí)，氣層在凹槽尾部破碎，形成氣液混合流，并在來流作用下向船尾擴(kuò)散，有一部分氣體進(jìn)入螺旋槳工作區(qū).采用凹槽方案3與方案4時(shí)，氣層在凹槽尾部平穩(wěn)地向兩側(cè)分開，并從舷側(cè)離開船體表面，幾乎沒有氣體進(jìn)入螺旋槳工作區(qū).從圖6c）與d）還可以看出，凹槽方案3的尾部構(gòu)型本身具有良好的氣層分流功能，此時(shí)安裝尾部導(dǎo)流塊對(duì)氣層的分流作用不明顯.

圖7 給出了凹槽方案3的氣體流動(dòng)軌跡線，從圖7可以明顯的看出：氣體在凹槽中形成多次回流，最后從凹槽尾部?jī)蓚?cè)溢出.

圖7 凹槽方案3氣體流動(dòng)軌跡線

表3給出了不噴氣及飽和噴氣下，不同凹槽方案摩擦阻力的變化，其中Fr＝0.155，氣流量Cq＝0.056.由表3可以見，飽和噴氣后，不同凹槽方案所獲得的摩擦阻力減少有所不同，但差別不大；減阻率與凹槽所占濕表面積的比例相近，其中方案3所得噴氣前、噴氣后的摩擦阻力絕對(duì)值最小.

表3 Fr＝0.155時(shí)不同凹槽方案下的摩擦阻力及其減阻率對(duì)比

圖8給出了不噴氣時(shí)凹槽構(gòu)型方式對(duì)阻力的影響.由圖8可見，不噴氣時(shí)，設(shè)置船底凹槽使得總阻力增加.圖9為開槽不噴氣時(shí)的阻力相對(duì)于光體阻力的增值，由圖9可見，在本文所設(shè)計(jì)的4種凹槽中，方案2阻力增加最大，方案3與方案4的阻力增加較小，且兩者的阻力增值相當(dāng).

圖8 不噴氣時(shí)不同凹槽方案的阻力對(duì)比

圖9 未噴氣時(shí)凹槽導(dǎo)致的阻力增加

綜上所述，在凹槽面積差別不大的情況下，飽和噴氣形成穩(wěn)定氣層后，凹槽形式對(duì)噴氣后摩擦阻力的影響不大.但凹槽形式對(duì)氣層形態(tài)及氣層的溢出情況影響較大，尤其是凹槽尾部構(gòu)型，不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)使得氣體進(jìn)入螺旋槳工作區(qū)，可能會(huì)影響推進(jìn)性能.從上述分析還可以看出，本文設(shè)計(jì)的凹槽方案3，4具有較好的性能，不僅可形成長(zhǎng)氣穴，阻力大幅降低，且可使氣體從凹槽尾部?jī)蓚?cè)平穩(wěn)溢出，與船體具有良好的適配性，同時(shí)不噴下的阻力增值較小.其中，方案3的結(jié)構(gòu)形式較方案4簡(jiǎn)單.

4.2 凹槽深度的影響

圖10～11給出了槽深變化對(duì)凹槽方案3不噴時(shí)總阻力及阻力增加的影響.從圖中可以看出：槽深增加，不噴氣下的阻力增大.可見，在保證可形成長(zhǎng)氣穴的前提下，槽深不宜過大.

圖10 槽深對(duì)凹槽方案3不噴氣時(shí)阻力的影響

圖12 給出了不同凹槽深度下，船底氣層的分布情況，從圖12可以看出：穩(wěn)定氣層形成后，凹槽深度對(duì)氣層分布的影響不大.

圖11 槽深對(duì)方案3不噴氣下阻力增值的影響

圖12 凹槽方案3不同槽深下的船底氣相圖

表4給出了Fr＝0.155，凹槽方案3不噴氣及飽和噴氣下的單位排水量阻力隨槽深的變化.其中：ΔR／W 為未噴氣時(shí)凹槽導(dǎo)致的阻力增加.由表4可見，凹槽深度主要影響不噴氣時(shí)的阻力，對(duì)噴后的阻力影響不大；凹槽深度增加，不噴氣下的阻力增大.

表4 Fn＝0.155槽深對(duì)噴氣前后阻力的影響 %

4.3 減阻率預(yù)報(bào)

表5給出了模型光體阻力、凹槽方案3飽和噴氣下的阻力隨航速的變化，其中氣流量Cq＝0.056.由表5可見，模型設(shè)置底部凹槽，噴氣后阻力大幅度降低，阻力的降低值隨航速的增加而增大.

表5 模型光體及噴氣后阻力的數(shù)值結(jié)果 N

圖13給出了絕對(duì)減率隨Fr的變化.絕對(duì)減阻率指的是模型設(shè)置凹槽并噴氣的阻力相對(duì)于光體阻力的減小率.由圖13可見，絕對(duì)減阻率隨速度的增加呈降低趨勢(shì)，在計(jì)算的速度范圍內(nèi)，減阻率可達(dá)25%以上，最大減阻率為31.98%.

圖13 模型絕對(duì)減阻率的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果

5 結(jié) 論

1）通過4種凹槽構(gòu)型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，獲得了阻力大幅降低、氣層穩(wěn)定性良好，且與船體具有較好適配性的設(shè)計(jì)方案.

2）凹槽深度主要影響不噴氣下的阻力；噴氣形成長(zhǎng)氣穴后，凹槽深度對(duì)阻力的影響不大.

3）載重量95 000t散貨船模型底部設(shè)置凹槽并噴氣，絕對(duì)減阻率可達(dá)25%以上，最大可達(dá)31.98%.

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