U型救生裝置阻力性能研究

李雙月，劉卓俊，張瑞瑞，包國(guó)治，李永正 ，張 劍，陳逸飛

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;3.華潤(rùn)燃?xì)?上海)有限公司，上海 200040)

0 引言

航運(yùn)船舶在實(shí)施救援時(shí)，常用的傳統(tǒng)救生圈受風(fēng)浪流影響較大，因不具備自航能力常常無法及時(shí)到達(dá)落水者身邊，導(dǎo)致救援時(shí)間延誤；而常用的救生艇又易受水域水深影響，無法到淺狹水域?qū)嵤┚仍?。?guó)內(nèi)學(xué)者[1-3]針對(duì)彈射式救生裝置開展系列研究，開發(fā)了一系列效率高的救援裝置，但其精準(zhǔn)度相對(duì)較低。本文利用船舶設(shè)計(jì)思想，基于傳統(tǒng)救生圈理念，開發(fā)一種可操縱控制巡航至溺水者身邊的U型救生裝置。采用數(shù)值模擬方法，對(duì)該U型救生裝置在各種工況下的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究，分析其載荷及周圍流場(chǎng)的壓力分布，為后期的外形和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)值方法

在湍流的非直接數(shù)值模擬中，應(yīng)用最廣泛的是雷諾平均N-S方程[4]。在一般笛卡兒坐標(biāo)系下，忽略脈動(dòng)的影響，用張量的指標(biāo)形式表示的雷諾平均N-S方程如下：

(1)

(2)

在RNGk-ε模型中，通過在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的黏度項(xiàng)中體現(xiàn)小尺度的影響，而使小尺度運(yùn)動(dòng)有系統(tǒng)地從控制方程中去除。所得到的k方程和ε方程如下：

(3)

(4)

RNGk-ε[4]可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)，但在雷諾數(shù)較小的近壁區(qū)域，必須要采用特殊的方法進(jìn)行處理。本文采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

本文的流體域中包含水和空氣兩種流體，采用流體體積函數(shù)法(VOF)捕捉兩種液體界面。VOF 方法將流體體積函數(shù)F設(shè)定在單元中心，流體速度也選取網(wǎng)格單元中心點(diǎn)。根據(jù)相鄰網(wǎng)格的流體體積函數(shù)F和網(wǎng)格單元四邊上的流體速度來計(jì)算流過制定單元網(wǎng)格的流體體積，借此來獲得指定單元內(nèi)下一時(shí)刻的流體體積函數(shù)F，進(jìn)而確定自由面的位置和形狀。F滿足：

(5)

式中：u、v、w分別為單元中點(diǎn)處的流體速度分量；t為時(shí)間。

2 計(jì)算模型

本文的研究對(duì)象為新開發(fā)的U型救生裝置。該裝置由前體和兩個(gè)側(cè)后體組成，三個(gè)片體均為船形，三個(gè)片體之間由連接橋連接。具體形狀見圖1。裝置參數(shù)分別為：裝置長(zhǎng)1.1 m，寬0.8 m，兩側(cè)體間距0.65 m。

圖1 U型救生裝置圖

數(shù)值模擬過程采用長(zhǎng)方體流體域。流體域長(zhǎng)度取15倍船長(zhǎng)，寬度取8倍船長(zhǎng)，高度取8倍船長(zhǎng)；救生裝置位于距流體入口5倍船長(zhǎng)，距側(cè)邊界及下方邊界各4倍船長(zhǎng)處。流體域見圖2。流體域網(wǎng)格劃分見圖3。

L—船長(zhǎng)。

圖3 裝置模型及周圍流域網(wǎng)格劃分

利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，使用三維非定常隱式求解器，選擇k-ε湍流模型和兩層流模型進(jìn)行模擬。整個(gè)計(jì)算域邊界在吃水線位置分為兩個(gè)入口邊界，吃水線以上為空氣入口，以下為水入口；出口定義為壓力出口。為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，采用半模型，設(shè)置裝置對(duì)稱面為Symmetry邊界。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

考慮裝置在實(shí)際使用過程中不同配重，計(jì)算工況分為空載、搭載兒童、搭載成人和極限載重4種工況。針對(duì)每個(gè)工況選取3個(gè)不同的航速，進(jìn)行阻力性能的對(duì)比研究。

3.1 阻力分析

各計(jì)算工況的阻力值見表1，各計(jì)算工況救生裝置阻力及阻力系數(shù)隨航速變化曲線見圖4。

表1 救生裝置阻力及阻力系數(shù)變化表

圖4 各計(jì)算工況救生裝置阻力及阻力系數(shù)隨航速變化圖

從表 1和圖 4可以看出， 隨著航速的增大，各載重工況下裝置阻力均增大，且搭載兒童和搭載成人工況的阻力增加速度更明顯；對(duì)比某一航速下不同載重工況救生裝置的阻力值，發(fā)現(xiàn)搭載兒童和搭載成人時(shí)的阻力值較其他兩個(gè)工況要大。從阻力系數(shù)變化圖可以看出，各載重工況下，裝置的阻力系數(shù)隨著航速增加而減小后趨于平緩，極限載重工況阻力系數(shù)值最小且減小變緩的趨勢(shì)更加明顯。以上分析說明，救生裝置正常作業(yè)工況(搭載兒童和搭載成人)的阻力值較大且隨航速變化明顯。

3.2 救生裝置周圍的流場(chǎng)情況

通過分析阻力和阻力系數(shù)發(fā)現(xiàn)，搭載兒童和搭載成人工況的阻力值較大，因此后續(xù)流場(chǎng)分析等以搭載兒童和搭載成人工況為主開展研究。救生裝置表面壓力分布圖見圖5。

圖5 救生裝置表面壓力分布圖

由圖 5可以看出，裝置前體首部出現(xiàn)高壓區(qū)。隨著航速增加，高壓區(qū)范圍增大，高壓區(qū)內(nèi)的壓力也逐漸增大，這是由于前體對(duì)流體的阻礙作用引起的。流體繞流經(jīng)過前體首部后，在前體中尾部出現(xiàn)低壓區(qū)，隨著航速增加，低壓區(qū)范圍逐漸增大和后移。對(duì)于后側(cè)體，同樣因?yàn)閭?cè)體對(duì)流體的阻礙作用，在側(cè)體的首部出現(xiàn)高壓區(qū)，且隨著航速的增加，高壓區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大，高壓區(qū)內(nèi)的壓力也逐漸增大；流體繞流過側(cè)體首部后，在首部和平行中體段連接處，流線迅速擴(kuò)張產(chǎn)生舭渦出現(xiàn)低壓區(qū)，并且隨著航速的增加，該低壓區(qū)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。流體流經(jīng)裝置過程中，裝置各部分型線變化不同使得對(duì)流體的阻礙作用程度不同，進(jìn)而引起裝置周圍流場(chǎng)壓力變化的不同，造成裝置受到的阻力有所不同。

3.3 片體連接橋的壓力分布

圖6給出了前體與側(cè)體連接橋的壓力分布情況。連接橋最大壓力約為裝置主體最大壓力的1/3，連接橋高壓區(qū)主要分布在前體與連接橋連接處、側(cè)體與連接橋連接處以及連接橋迎流邊界處，而連接橋低壓區(qū)則主要分布于前體中后體與連接橋連接處和連接橋去流處。對(duì)比圖6(a)～(h)發(fā)現(xiàn)，隨著航速增加，連接橋上壓力變化更加明顯，高低壓區(qū)也更加集中，這對(duì)連接橋的強(qiáng)度十分不利。

圖6 片體連接橋壓力分布情況

3.4 裝置周圍自由液面分布

圖7給出了搭載兒童和搭載成人工況各航速下自由液面爬升情況。從圖中可以看出，由于前體的影響，流體流經(jīng)前體后在側(cè)體上均有一定的爬升，且隨著航速的增加，爬升的高度有所增加，且在爬升的過程中伴隨有波浪破碎現(xiàn)象。

圖 7 自由液面爬升情況

4 結(jié)論

本文利用Fluent軟件，針對(duì)新開發(fā)的U型三體叉式布局救生裝置在空載、搭載兒童、搭載成人和極限載重工況，不同航速下的阻力性能和流場(chǎng)分布情況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論： (1)隨著救生裝置搭載重量逐漸增大，裝置產(chǎn)生的阻力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，得出搭載兒童和搭載成人時(shí)的阻力及阻力系數(shù)較大。

(2)通過對(duì)搭載兒童和搭載成人工況下救生裝置周圍流場(chǎng)壓力分布、連接橋壓力分布以及自由液面爬升情況的分析，得出前體、側(cè)體首部、連接橋迎流邊界及其前后體與連接橋連接部位均會(huì)出現(xiàn)高壓區(qū)，前體中后段及其與連接橋連接部位、連接橋的去流邊界和側(cè)體首部與平行中體過渡段均會(huì)出現(xiàn)低壓區(qū)，高低壓差是造成裝置阻力的主要因素。

通過本文的研究，對(duì)U型救生裝置的水動(dòng)力有了基本的理解，為后期的裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及裝置改進(jìn)提供了一定的支撐。