Chinese Journal of Ship Research
基于STAR-CCM+的小水线面三体船阻力数值仿真
张明霞，韩兵兵，卢鹏程，赵正彬116024大连理工大学船舶工程学院，辽宁 大连
摘 要：［目的］小水线面三体船因具有良好的耐波性、快速性及稳定性而在民用和军用领域受到青睐，但不同的水下潜体形状及不同侧体位置在不同航速时的阻力变化规律还有待研究。由于开展船模试验所需时间较STAR-CCM+平台对小水线面三体船周围的粘性流长、成本较高，难以将全部可能的方案都进行试验，因此利用 STAR-CCM+平台进行阻力数值计算的可场进行数值模拟。［方法］考虑到自由表面效应的影响，首先验证采用行性和可靠性；其次，研究系列傅汝德数下不同侧体位置时，潜体横剖面为圆形的小水线面三体船阻力的变化
规律。［结果］结果表明，随着航速的增加，侧体布置于主体后部并向主体靠拢时，小水线面三体船的总阻力较Fr=0.338~0.494小；在 范围内，小水线面三体船的总阻力较细长型三体船总阻力的降低最为显著。［结论］研究结果可为同类型船舶的设计提供一定的借鉴和参考作用。
关键词：小水线面三体船；船舶阻力；侧体布局；潜体形状；数值仿真
中图分类号：U661.31+3
文献标志码：A
DOI：10. 19693/j.issn.1673-3185. 01128
0引言
近年来，三体船作为一种高性能船舶，引起了造船界以及各国海军的关注［1-4］。常规的细长型1 2三体船通常由 个主体和 个小侧体构成，主体和侧体都比较细长。与单体船相比，该船型可以有效减少阻力，提高航速，并改善耐波性，且其总体布置性能较好，2个侧体能起保护作用，增强船舶生命力。而常规双体船及穿浪型双体船在高速情况下与常规单体船相比阻力小、横稳性较好，但耐波性较差，横摇周期短，随着横摇加速度的加大，纵、横摇周期接近，易晕船［ 5 ］。小水线面双体船（Small Waterplane Area Twin Hull，SWATH ）提高了耐波性，降低了阻力，但其横向稳定性需采取特SWATH殊措施予以保证，由此便失去了 船宽、甲板面积及舱容大的优势。而小水线面三体船（Trimaran Small Waterplane Area Center Hull， TriSWACH）则既有细长型三体船的优点，同时又克服了小水线面双体船横向稳定性和纵向稳定性TriSWACH 1 6］。差的问题［ 由 个小水线面型主体2和 个细长型侧体构成，在水面附近为薄型立柱，水线面下设置有潜体。相比于细长型三体船，小水线面三体船的兴波阻力更小，且在相当的船长条件下，可以较多地增加排水量，提供更多的有效载荷［7-8］，在军用和民用领域均有着广阔的应用前景［9-11］。国内外基于理论分析、数值计算和船模试验方法对三体船的水动力性能进行了研究。Brizzo⁃ lara［12］和 SON CFD等［13］利用 软件，数值模拟了高速三体船在不同侧体布局时的兴波阻力。Zafer 14 ［ ］ Rankine和卢晓平等［15］采用三维 源面元法，系统研究了侧体位置对三体船兴波阻力的影响。郦云15等［16 ］对细长型三体船的 种侧体布局方案进行阻力试验，分析了横向跨距和纵向偏距对兴波阻力系数的影响。郑丰等［7-8］通过模型试验，研究了横剖面为椭圆形的小水线面三体船的阻力特征，并与船长相当、排水量较小的细长型三体船阻力试验结果进行了对比，结果表明，在低速时，细长型三体船的总阻力较小，而在高速时，小水线面三FLUENT体船的较优。刘嵩［17］利用 软件计算了在Fr=0.443～0.553范围内，潜体横剖面为圆形和椭圆型的小水线面三体船在规则波中的阻力性能，研究表明，潜体形状为圆形的阻力比椭圆形的小。以上研究均未针对不同侧体位置对总阻力的影响进行研究。若要对全部船型进行试验研究，不仅费时费力，而且成本高，因此，基于性能越来 越完善的数值模拟平台进行各种船型的水动力研究就成为有效手段。STAR-CCM +平台，基于粘性理本文拟利用论［18-19］，首先对细长型三体船阻力进行计算，并与文献［4］中的试验值进行比较，验证使用该平台进行阻力数值预报的可行性和可靠性，然后在此基Fr=0.1~0.7础上研究在 范围内，静水中不同侧体位置下潜体形状为圆形的小水线面三体船的阻力变化规律。
1 船型变换及方案设置 1.1 船型变换
4以文献［ ］中的细长型三体船模为依据，基于船长、船宽和排水量不变的原则，将细长型三体船模型线变换为小水线面三体船模型线。细长型三1和体船及小水线面三体船的横剖面示意图如图2 2 1和表2图 所示，这 个船模的主尺度参数如表所示。3船体坐标系如图 所示。图中：x轴沿主体船长方向，指向主体艏部方向为正；y轴沿船宽方向，指向主体左舷为正； a为侧体中心线与主体中心线间的横向跨距，a始终为正值；b为侧体船舯与
主体船舯的纵向距离，当侧体在主体船舯之前时， b为正值，当侧体在主体船舯之后时，b为负值。4~ 6所小水线面三体船的三维视图如图 图=25。示，其中实船与模型的缩尺比 λ
1.2 侧体布局方案
针对小水线面三体船侧体布局位置的多样性3 2和复杂性，选择侧体 个纵向位置和 个横向位6置，共 种不同的侧体位置布局方案。针对每种 V=0.657，1.465，2.116，3.093，方案，分别计算速度3.744 4.388 m/s Fr=0.105，和 ，对应的无量纲化0.234，0.338，0.494，0.598 0.701 6和 这 种航速下的3阻力数值。侧体位置布局方案如表 所示，其中L为主船体船长。
2 建模及数值方法 2.1 几何建模
小水线面三体船为对称船型，本文取左舷一侧进行计算。计算流域为一长方体，计算流域入3口取主体艏部向上游延伸至 倍主体船长处，出5口取艉部向下游延伸至 倍主体船长处；区域右侧边界为对称面（主体纵中剖面）；区域左侧边界1为由对称面向左舷方向延伸 倍主体船长；计算2流域高约为 倍的主体船长，流域上边界取设计0.75水线面向上约 倍主体船长处。STAR-CCM +平台自动划分流域网格，采用在设置网格相关参数时，对船艏、艉外形曲率变化较大的表面和水线面处网格进行加密处理，然后再以一定的梯度外推，以满足计算需要。计算流域空间采用切割六面体网格，流域网格划分如7 8图 和图 所示。计算流域的边界条件分别为速度进口、压力STAR-CCM+平台设定出口、对称面和壁面，并在初始自由面以及水和空气的体积分数。
2.2 控制方程和湍流模型
三体船粘性流场的连续方程和动量方程［20-21］如下：
=1，2，3；P式中：ui ，uj 为速度分量时均值，i ，j 为3压力时均值； xi ，xj 为笛卡尔坐标系的 个坐标=1，2，3；ρ分量，i ，j 为流体密度；ν 为流体运动_____ ' '粘性系数；g1为重力加速度分量；ρuiuj 为雷诺应
力项。由于雷诺应力项导致方程无法封闭，故需要采用相应的湍流模型。文中对比分析了k-ε，k-ω Spalart-Allmaras 3 RANS和 这 种湍流模型封闭 方程后对计算结果的影响。通常，k-ε湍流模型具有较好的稳定性和较高的计算精度标准，其通过求解湍流动能方程和湍流耗散率方程，然后计算湍流粘度，最终通过Boussinesq假设得到雷诺应力的解；k-ω湍流模型适用于尾迹流动计算、混合层计算、射流计算，以及受到壁面限制的流动计算和自由剪切流计算，具有近壁区计算的优点；Spalart-Allmaras湍流模型作为一种新出现的湍流模型，在计算消耗和计算精确性方面均有较好的表现，特别是在需要准确计算边界层粘性影响的问题中，效果较好。
2.3 自由表面数值模型
小水线面三体船为排水型船，需要考虑自由表面的问题。处理该问题的数值方法可以采用流体体积（VOF）法，该方法是目前研究自由表面问题方法中应用较为广泛和理想的一种方法。VOF法通过定义一个流域体积函数F来定义划分的每个网格单元的状态，F的值等于一个单元内流体F=1，说体积与该单元体积之比。若 明该单元全F=0，则说明该单元为部为指定相流体所占据；若 0 1无指定相流体单元；若F值介于 至 之间，说明 该单元内含有自由表面［22］。流域体积函数F的运算方程为
3 模型验证及结果对比 3.1 湍流模型验证
STAR-CCM+平台不同湍流模型对为了检验三体船阻力计算的敏感性及准确性，首先建立细CATIA长型三体船 模型并设置验证方案，然后在STAR-CCM+中设置与小水线面三体船相同的计STAR-CCM+算域条件，通过 自带的网格诊断功能，验证了本文网格质量满足计算要求。
在同一网格数量和质量条件下，分别采用Spalart-Allmaras k-ε模型、k-ω模型和 模型对同一方案进行阻力计算并与试验值进行对比，验证方4 9案设置及对比结果如表 和图 所示。 9 Spalart-Allmaras由图 可以发现，采用 湍流6.62%模型时，最大计算误差为 ，曲线吻合度较好，可靠性较高，因此可以应用该湍流模型进行小
水线面三体船的阻力数值计算。
3.2 总阻力计算
STAR-CCM+平台进行数值模在已验证使用 Spalart-Allmaras拟具有可靠性的基础上，采用 湍