劉 貝

(新世紀(jì)船舶設(shè)計(jì)研發(fā)(上海)有限公司，上海201203)

0 引言

當(dāng)前全球碳減排工作正在積極推進(jìn)，對(duì)于航運(yùn)業(yè)減碳的要求也越來(lái)越高。航運(yùn)業(yè)短期減排措施包括完善能源效率框架、研發(fā)提高能效的技術(shù)、優(yōu)化船舶速度、制訂能效指標(biāo)、研發(fā)替代性低碳或零碳燃料等，因此造船企業(yè)推出了各種類型的節(jié)能減阻裝置，如：球鼻艏、舵球、轂帽鰭、導(dǎo)流罩等，以減小船舶水下部分阻力。目前，這些節(jié)能減阻裝置已經(jīng)在各類型船舶上普遍應(yīng)用[1]。

由于空氣阻力占總阻力比例較小，船舶上層建筑設(shè)計(jì)時(shí)通常較少考慮空氣阻力的影響，但是當(dāng)其他減阻措施都已經(jīng)使用后，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小船舶上層建筑空氣阻力成為一個(gè)重要優(yōu)化方向。陳前昆等[2]對(duì)船舶風(fēng)載荷研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了概述，提出上層建筑優(yōu)化應(yīng)使氣流在迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面角隅處盡量減少分離，保持流向一致性。蔡文山等[3]以5萬(wàn)t油船為研究對(duì)象，分析了不同迎風(fēng)面構(gòu)型上層建筑的風(fēng)阻情況，但未對(duì)構(gòu)型的不同參數(shù)影響進(jìn)行分析。本文以82 000 t散貨船為研究對(duì)象，研究不同形狀參數(shù)變化(如前壁切角尺寸或圓角半徑大小)對(duì)上層建筑空氣阻力的影響。

1 船舶空氣阻力計(jì)算方法

普通船舶水線以上部分所受的空氣阻力包括摩擦阻力和粘壓阻力。由于空氣密度和粘性系數(shù)都很小，因此摩擦阻力所占比例極小，船舶空氣阻力主要為粘壓阻力?？諝庾枇εc船舶水上部分外形及風(fēng)的相對(duì)速度和大小有關(guān)，它可由下式計(jì)算：

(1)

式中：Ra為空氣阻力，N；Ca為空氣阻力系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣質(zhì)量密度，ρa(bǔ)=1.226 kg/m3；At為船體水線以上部分在橫剖面上的投影面積，m2；νa為空氣相對(duì)船的速度，m/s[4]。

從式(1)看出：空氣密度是常數(shù)，在速度一定的情況下通過(guò)減小受風(fēng)面積At可以減小空氣阻力[5]；也可以通過(guò)改變上層建筑的外形特征(如切角、倒圓角等)減小阻力系數(shù)Ca和空氣阻力。

2 82 000 t散貨船上層建筑外形演變過(guò)程

目前市場(chǎng)的主流82 000 t散貨船屬于卡爾薩姆型靈便型貨船，其主要參數(shù)為：總長(zhǎng)229.00 m，型寬32.26 m，設(shè)計(jì)吃水14.50 m，設(shè)計(jì)航速約14.2 kn。第一代82 000 t散貨船于2012年前后推出，到目前已經(jīng)歷過(guò)多次設(shè)計(jì)迭代，各種設(shè)計(jì)指標(biāo)不斷優(yōu)化，其上層建筑經(jīng)歷了三代設(shè)計(jì)優(yōu)化。

第一代82 000 t散貨船：船長(zhǎng)L=11.20 m，船寬B=22.40 m，上層建筑正面投影面積較大，未考慮空氣阻力的影響。

第二代82 000 t散貨船：對(duì)上層建筑進(jìn)行了優(yōu)化，寬度減小，船長(zhǎng)增加。船長(zhǎng)L=13.94 m，船寬B=18.26 m，長(zhǎng)寬比增大，正面受風(fēng)面積減小。第二代上層建筑布置合理，是目前使用較多的上層建筑方案。

第三代82 000 t散貨船：對(duì)上層建筑在第二代的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，即減小寬度，增加長(zhǎng)度。船長(zhǎng)L=18.4 m，船寬B=11.2 m，長(zhǎng)寬比進(jìn)一步增大，正面受風(fēng)面積減小至第一代上層建筑的一半，上層建筑內(nèi)部布置緊湊。

3 上層建筑空氣阻力仿真計(jì)算

式(1)中空氣阻力系數(shù)Ca包含主船體水線以上部分和上層建筑部分。為研究船舶上層建筑形狀對(duì)阻力系數(shù)的影響，下文用Cd表示上層建筑部分空氣阻力系數(shù)。使用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法計(jì)算不同上層建筑外形的阻力及阻力系數(shù)[6]。首先使用二維CFD方法，分析上層建筑前端壁切角、倒圓角等形式的變化對(duì)阻力系數(shù)變化趨勢(shì)的影響，總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律。然后使用三維CFD方法對(duì)相關(guān)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

計(jì)算中假定船舶在無(wú)風(fēng)環(huán)境下以最大航速14.2 kn航行，使用穩(wěn)態(tài)方法計(jì)算此時(shí)上層建筑受到的阻力，并計(jì)算出阻力系數(shù)Cd。計(jì)算過(guò)程中，選用k-omega SST湍流模型；求解方式中壓力速度耦合選擇Coupled；邊界條件選用速度進(jìn)口，給定進(jìn)口速度和相應(yīng)參數(shù)；出口選用壓力出口，壓力設(shè)置為0。

3.1 第一代至第三代82 000 t散貨船上層建筑阻力情況

第一代至第三代82 000 t散貨船上層建筑阻力情況見(jiàn)表1。根據(jù)表1可以看出，通過(guò)減小上層建筑受風(fēng)面積，可以顯著降低空氣阻力，同時(shí)空氣阻力系數(shù)也會(huì)變化。第三代上層建筑正投影面積減小一半時(shí)，其阻力值減小超過(guò)50%。

表1 第一代至第三代上層建筑空氣阻力與阻力系數(shù)對(duì)照表(二維CFD方法計(jì)算)

3.2 上層建筑前壁切角對(duì)阻力的影響

對(duì)上層建筑前壁進(jìn)行切角處理，可以改變側(cè)壁氣流方向，從而減小空氣阻力，見(jiàn)圖1(a)。

C—切角尺寸；R—圓角半徑。

對(duì)不同代次上層建筑前壁進(jìn)行切角處理，用二維CFD方法分別計(jì)算不同切角值對(duì)應(yīng)的空氣阻力變化情況，切角大小與空氣阻力系數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。從圖中可以看出：隨著上層建筑前壁切角的增大，空氣阻力系數(shù)逐步減小，但減小的趨勢(shì)越來(lái)越平緩。由于切角尺寸增大會(huì)使上層建筑的有效使用面積減小并影響艙室布置情況，故切角值不宜過(guò)大。

圖2 阻力系數(shù)比值隨上層建筑前壁切角大小變化情況

3.3 上層建筑前壁倒圓角對(duì)阻力的影響

對(duì)上層建筑前壁進(jìn)行倒圓角處理，可使流線更貼近于艙壁，進(jìn)而起到減小空氣阻力的作用，圓角示意圖見(jiàn)圖1(b)。

對(duì)不同代次上層建筑前壁進(jìn)行圓角處理，用CFD方法分別計(jì)算不同圓角對(duì)應(yīng)的空氣阻力變化情況，圓角半徑大小與空氣阻力系數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，隨著圓角半徑R的增大，阻力系數(shù)Cd呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；當(dāng)圓角半徑R與上層建筑總寬度B比值接近0.1時(shí)，阻力系數(shù)Cd會(huì)顯著減?。黄浜笤倮^續(xù)增大圓角半徑，阻力系數(shù)Cd基本不再減小。其原因?yàn)樵诮o定風(fēng)速下，當(dāng)R/B遠(yuǎn)小于0.1時(shí)，在側(cè)壁處會(huì)出現(xiàn)分離現(xiàn)象并產(chǎn)生渦；當(dāng)R/B接近0.1時(shí)，流線已非常貼近上層建筑側(cè)壁，即可以認(rèn)為此時(shí)外形已接近流線型，見(jiàn)圖4。

圖3 阻力系數(shù)比值隨上層建筑前壁圓角半徑大小變化情況

圖4 第三代上層建筑R=0.1B外部流線示意圖

圖2和圖3中局部阻力系數(shù)出現(xiàn)增大的相反趨勢(shì)，原因是對(duì)應(yīng)工況計(jì)算過(guò)程中上層建筑側(cè)壁出現(xiàn)規(guī)律性的渦分離現(xiàn)象，造成阻力系數(shù)周期性變化，圖中阻力系數(shù)取值為波動(dòng)過(guò)程中的最大值。

3.4 使用三維CFD方法對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證

以第三代上層建筑為例，使用三維CFD方法對(duì)上述所得出的結(jié)論進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。首先計(jì)算優(yōu)化前的上層建筑三維模型(即對(duì)二維模型H1進(jìn)行三維化處理，模型代號(hào)H3D1)阻力系數(shù)情況，其次計(jì)算上層建筑前壁不同圓角半徑R(考慮到實(shí)際情況，對(duì)頂層駕駛室前壁進(jìn)行切角處理)時(shí)的阻力系數(shù)。其變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 阻力系數(shù)Cd比值與圓角半徑關(guān)系(三維CFD計(jì)算)

由圖5可以看出，三維CFD計(jì)算結(jié)果與上述結(jié)論相近，即當(dāng)圓角半徑R逐漸增大至0.1倍上層建筑寬度時(shí)，阻力系數(shù)Cd會(huì)顯著減小，其后再繼續(xù)增大圓角半徑則阻力系數(shù)Cd基本不再減小。三維CFD方法計(jì)算時(shí)，由于上層建筑底部甲板和頂部外形影響，優(yōu)化后的阻力系數(shù)Cd值與優(yōu)化前比值約為40%。阻力系數(shù)減小幅度小于二維CFD計(jì)算對(duì)應(yīng)的結(jié)果，存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

3.5 對(duì)上層建筑駕駛室頂部進(jìn)行優(yōu)化

對(duì)上層建筑駕駛室頂部前端進(jìn)行切角和圓角處理，分別計(jì)算阻力系數(shù)。由于切角或圓角過(guò)大會(huì)影響駕駛室布置，故選擇駕駛室頂部前端進(jìn)行切角C=500 mm和圓角R=500 mm計(jì)算。優(yōu)化前后上層建筑中縱剖面壓力分布情況見(jiàn)圖6。

圖6 駕駛室頂端優(yōu)化前后縱剖面總壓力分布(單位：mm)

從圖6可以看出，優(yōu)化前駕駛室頂部氣流存在明顯分離現(xiàn)象，優(yōu)化后分離現(xiàn)象明顯變化。優(yōu)化前后阻力系數(shù)變化情況見(jiàn)表2。

表2 第三代上層建筑駕駛室頂端外形與阻力系數(shù)對(duì)照表

4 結(jié)論

(1)在上層建筑前壁設(shè)置圓角R=0.1B。

(2)駕駛室頂部前端設(shè)置圓角R=500 mm，可以在對(duì)上層建筑布置影響較小的情況下，將該型散貨船第三代上層建筑的空氣阻力系數(shù)減小至優(yōu)化前的34%左右。

(3)在設(shè)計(jì)航速下，通過(guò)三維CFD計(jì)算可以得到第一代上層建筑空氣阻力及阻力系數(shù)(Cd=1.135)，進(jìn)而計(jì)算得到第一代上層建筑的空氣阻力占全船總阻力(已知模型試驗(yàn)總阻力)約為1.8%。根據(jù)式(1)可以計(jì)算出，通過(guò)上述方法進(jìn)行優(yōu)化后的第三代上層建筑相對(duì)于第一代上層建筑空氣阻力減小約82%。假定船舶其他阻力不變，則該方法理論上可以將船舶總阻力減小約1.5%，減阻效果明顯。該優(yōu)化方法對(duì)于降低散貨船燃油消耗、提高設(shè)計(jì)能效有顯著效果。