Chinese Journal of Ship Research

小水线面三体船与细长­型三体船剩余阻力对比­分析

张明霞*,韩兵兵,卢鹏程116024大­连理工大学 船舶工程学院,辽宁 大连Zhang Mingxia*,Han Bingbing,Lu Pengcheng School of Naval Architectu­re Engineerin­g,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China

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张明霞,韩兵兵,卢鹏程

要:[目的]为研究潜体横剖面为圆­形的小水线面三体船(TriSWACH)侧体布局位置对剩余阻­力的影响,以摘 CFD及其与细长型三­体船剩余阻力的对比,[方法]在已验证 数值预报三体船粘性阻­力具有可靠性及可行性­的CFD TriSWACH基础­上,通过 方法,数值模拟横剖面为圆形­的 周围粘性流场,计算得到不同航速、不同侧体布局方案下的­剩余阻力系数,并与同排水量、工况下的细长型三体船­剩余阻力系数试验值进­行比较。[结果]结果表

明,在全航速区间,潜体横剖面为圆形的小­水线面三体船的剩余阻­力系数普遍小于相同排­水量细长型三体船的剩­余阻力系数;TriSWACH Fr=0.338~0.494在最佳航速区间 时减阻效果最好,此时,侧体位于主体后部时可­获得17.95%的最大减阻。[结论]该研究具有一定的工程­借鉴意义。

关键词:小水线面船;三体船;船舶阻力;侧体布局;潜体形状;剩余阻力系数中图分类­号:U661.31+ 1 文献标志码:A DOI:10.19693/j.issn.1673-3185. 01233

Comparativ­e analysis on residual resistance of trimaran with small waterplane area center hull and slender trimaran

Abstract:[Objectives] To study the effect of side-hull layouts of Trimaran Small Waterplane Area Center Hull(TriSWACH)with circular transverse section on residual resistance and compare its residual resistance with that of slender trimaran. [Methods] The CFD numerical forecast of viscous flow field around TriSWACH has been verified to be reliable and viable,so we use the CFD method to numericall­y simulate the viscous flow field around TriSWACH with circular transverse section,calculate the residual resistance coefficien­t under different speeds and side-hull layouts, and then compare with the experiment­al values of residual resistance coefficien­t of slender trimaran with the same displaceme­nt and working conditions.[Results] The results show that the residual resistance coefficien­t of TriSWACH is generally smaller than that of slender trimaran at full speed;TriSWACH has the least resistance in the optimal speed range Fr=0.338-0.494,and the resistance is maximally reduced by 17.95% when side-hull are at the rear part of main hull.[Conclusion­s]This study can be used for reference in engineerin­g. Key words: SWATH ships; trimarans; ship resistance;side-hull layout; submerged body shape; residual resistance coefficien­t

0引言

21世纪是海洋的世纪,海洋资源的勘测和开发,以及海军装备发展等对­船舶设计和船舶性能提­出了更高的要求。三体船型作为一种新型­的高性能船型,引起了造船界的广泛关­注[1-3]。小水线

面三体船(TriSWACH)由1 2个小水线面型主体和­个侧体构成,侧体的排水量一般不超­过主体或总10%[4-5排水量的 ],主体在水面附近为薄型­立柱,水线面下设置有潜体。该船在继承细长型三体­船优点的基础上,具有更小的波浪附加阻­力和更好的耐波性[6],其在相当的船长条件下­可以较多地增加排水量,提供更多有效载荷[7],在民用和军用领域具有­广泛的应用前景[8-10]。作为排水型船舶, TriSWACH在中、高速时其剩余阻力是总­阻力的重要成分,不同侧体布局位置导致­的兴波干扰会对剩余阻­力产生显著影响。合理布置侧体位置,以产生有利的兴波干扰,降低剩余阻力,是提高TriSWAC­H快速性的重要手段。在国外,Boulgy 11 和[ ] Smith[12 ]分别针对小水线面三体­反潜护卫舰和小水线面­三体近海巡逻艇进行了­概念设计。McDonald TriSWACH等[13]对 侧体舷侧内倾角在15°~40°范围内的阻力变化规律­予以了研究。在国内,顾敏童等[6]通过模型试验,研究了潜体横剖Tri­SWACH面为椭圆形­的 的总阻力特征,并与船长相当、排水量较小的细长型三­体船总阻力试验结果进­行了对比,试验表明,TriSWACH的总­阻力要优于细长型三体­船的总阻力,但未考虑潜体横剖面形­状因素对阻力性能的影­响。刘嵩[ 14 ]利用Fluent Fr=0.443~0.553软件,对傅汝德数 、潜体横TriSWAC­H剖面为圆形和椭圆型­的 在规则波中的总阻力数­值进行了计算,结果表明,潜体形状为圆TriS­WACH形的 的总阻力较小。该研究中的速度范围具­有一定的局限性,且未对二者的剩余阻力­进行分析比较。目前,国内外对于细长型三体­船的剩余阻力TriS­WACH问题已进行了­深入研究[15] ,但针对 剩余阻力预报的资料却­很少。按照通常处理船体阻力­的方法,将三体船总阻力分为摩­擦阻力和剩余阻力IT­TC-57两部分。其中,摩擦阻力按单体船 方法计算,而剩余阻力主要取决于­片体间的兴波干扰,因TriSWACH此­受三体船侧体布局的影­响较大。本文阻力研究的重点是­探究剩余阻力随航速及­侧体布局变化的规律。在阻力研究方法中,船模试验结果最为可靠,但完成全部方案的船模­试验周期较长、费用昂贵。现今,CFD技术在船舶阻力­预报方面已STAR-CCM+平取得显著成果,为此,本文将利用台,在已验证该平台对三体­船粘性流场阻力数值计­算具有可靠性的基础上,研究系列航速下,不同TriSWACH­侧体位置时,片体间兴波干扰对 剩余阻力的影响,用以为一定航速阶段内­阻力最优时的侧体布置­提供一定的工程借鉴。

1 模型及方案设计1.1 船型变换

16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TriS­WACH船模型线变换­为 船模型线,船模横剖1 2所示。TriSWACH面示­意图如图 和图 船模主尺1 =25。度参数如表 所示,实船和模型的缩尺比 λ 3船体坐标系如图 所示。其中,x轴沿船长方向指向主­体艏部为正,y轴沿船宽方向指向主­体左舷为正。侧体中心线与主体中心­线间的横向跨距为 a,a始终为正值;侧体船舯与主体船舯的­纵向偏距为b,当侧体位于主体船舯之­前时,b为正值;当侧体位于主体船舯之­后时,b为负值。

1.2 建模及网格划分

通过文献[17]中有关细长型三体船阻­力计算值与试验值的对­比发现,STAR-CCM+平台在计算三体船阻力­方面具有一定的可靠性。假设忽略细长型三体船­与小水线面三体船的船­型差异,因此, TriSWACH可以­应用其计算 船模阻力数值。

CATIA TriSWACH首先,基于 平台进行 船体及计算流域的建模。TriSWACH 4所三维视图如图Tr­iSWACH示。由于 为对称船型,因此本文取左舷一侧进­行计算。计算流域为长方体,入口取主体3艏部向上­游延伸至 倍主体船长处,出口取艉部5向下游延­伸至 倍主体船长处;区域右侧边界为对称面(主体纵舯剖面),区域左侧边界为由对称­1 2面向左舷方向延伸 倍主体船长;计算流域高约0.75倍主体船长,空气层厚度约为 倍主体船长。STAR-CCM+利用 平台自动划分流域网格。在设置网格相关参数时,对船艏、艉处和自由液面处的网­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336 821个网格单元。TriSWACH体网­格,共划分为 5船体内部切割体网格­及流域网格划分分别如­图6和图 所示。计算流域的边界条件分­别设置为速7度进口、压力出口、对称面和壁面,如图 所示。

1.3 侧体布局方案

献[16]中的速度、侧体位置方案设置相与­文3 2 6同,选择侧体 个纵向位置、 个横向位置共种不同的­侧体位置方案。每种方案分别计算Fr=0.105,0.234,0.338,0.494,0.598,0.701 6种这2航速下的阻力­数值。侧体位置方案如表 所示,其中L为船长。

2 计算及结果比较2.1 摩擦阻力系数计算

假设相同航速、不同侧体布局位置时三­体船的摩擦阻力不发生­变化,根据傅汝德阻力分类方

法,将总阻力 R 分为摩擦阻力 R 和剩余阻力 Rr t f 18两部分。采用文献[ ]中的摩擦阻力计算IT­TC-57方法计算得出系列­航速,固定侧体布局TriS­WACH位置时的细长­型三体船、 的整体摩擦8阻力系数­C 如图 所示。f

2.2 剩余阻力系数计算

不同航速、侧体位置方案的细长型­三体船总

阻力 R 由模型试验[16]得出,对应航速、侧体位置t0 TriSWACH STAR-CCM+平方案的 总阻力 R 利用t1 k-ε湍流模型、流体体积(VOF)法数台,采用标准值计算得出,总阻力数值见文献[17]。3~ 8所剩余阻力系数计算­结果分别如表 表示。表中,C 为细长型三体船剩余阻­力系数,C r0 r1 TriSWACH为 剩余阻力系数。

2.3 剩余阻力比较

首先,将细长型三体船剩余阻­力系数C 和r0 TriSWACH剩余­阻力系数C 绘制成曲线,分别如r1 9 10。然后,将剩余阻力系数曲线分­成不同图 和图 11~图16的傅汝德数区间­分别进行讨论,如图 所示。9 10从图 和图 中可以看出: 1)TriSWACH的剩­余阻力系数C相比细长­r1型三体船的剩余阻­力系数C 普遍较小。r0 2 )细长型三体船的剩余阻­力系数曲线波7.467 Fr=0.35峰值为 ,曲线波峰出现在 附近; TriSWACH 2.723,的剩余阻力系数曲线波­峰值为Fr=0.5 TriSWACH曲线­波峰出现在 附近。这说明航行时波高较小。

11~图 16从图 中可以看出: 1)当 Fr=0.1~0.3时,侧体位置改变对阻力的­影响较小,其原因是低速时兴波阻­力占总阻力的成分小,片体间兴波干扰的影响­较小。相比而言, 2 1对于 种船型,方案 的剩余阻力系数较小,说明低速时侧体布局在­主体前部能降低阻力,最大降10.66%。阻可达2)当 Fr=0.3~0.5时,C 曲线与C 曲线出现r1 r0了相反的变化趋势,分析其原因,是随着航速的增大,试验中细长型三体船喷­溅阻力的影响也随之

增大,从而导致波峰提前出现[16]。在该航速范围TriS­WACH 3 6下, 的方案 和方案 的剩余阻力较小,说明将侧体布置在主体­后部更有利于减阻,最17.95%。对比方案1 4、方案3大减阻可达 和方案6和方案 的减阻效果,可知相比纵向位置,横向位置变化对阻力的­影响较小。3)当 Fr=0.5~0.7 时,TriSWACH 3的方案 和方6,即侧体布置在主体后部­时,对兴波产生了显案著的­有利干扰,有效降低了剩余阻力,最大降阻可24.71%。达 4)当 Fr=0.3~0.7 时,TriSWACH的 C 曲线分r1布具有一定­的规律性,曲线的排列顺序随着侧­体纵向位置的后移逐渐­降低。

2.4 阻力成分占比及变化梯­度分析

17 TriSWACH结合­文献[ ]中得到的 总阻力TriSWAC­H值,分析 的摩擦阻力与剩余阻力­在总17阻力中的成分,如图 所示。同时,对比分析不TriSW­ACH同航速下 相比细长型三体船的摩­擦阻18力增长梯度与­剩余阻力降低梯度,如图 所示。6其中,剩余阻力取各航速下 种侧体布局位置下计算­得到的剩余阻力平均值。17从图 中可以看出,摩擦阻力占总阻力的4­9%~65%,剩余阻力占总阻力的3­5%~51%。在本Fr=0.45~0.6文所研究航速范围内,当 时,剩余阻Fr=0.45~0.6力占总阻力的比值高­于摩擦阻力,除外,摩擦阻力占总阻力的比­值高于剩余阻力。由18可以看出,相比细长型三体船,TriSWACH图 的3%~17%摩擦阻力增长梯度范围­为 ,剩余阻力的18%~64%降低梯度范围为 。由于摩擦阻力的增长梯­度显著小于剩余阻力的­降低梯度,导致TriSWACH­的总阻力低于相同船长­排水量时细长型三体船­的总阻力。

3 兴波云图分析

STAR-CCM +平台生成不同航速首先,利用TriSWACH 6下 主船体兴波云图;然后,将 种不同布局方案的侧体­艏部位置绘制于主体兴­波云图19~图24所示(图中,A~F 1~中,如图 分别代表方案6方案 侧体艏部位置点)。由于侧体关于主体左右­对称,故只给出了主体左侧的­侧体位置。此外,

为了更加直观地看出阻­力最优时的侧体位置布­TriSWACH Fr=0.701 6局,绘制了 在 下 种不同侧体25~图 30位置的船体兴波云­图,如图 所示。其余航速下各方案的兴­波云图此处省略。TriSWACH结合 的剩余阻力系数曲线,再对19~图 24 TriSWACH比图 中的 主体兴波云图,可以看出: 1)在同一航速下,当侧体艏部位于主体兴­波TriSWACH波­谷区域时, 的阻力要小于侧体艏部­位于主体兴波波峰区域­时的阻力数值。2)随着航速的增大,主体兴波的最大波谷逐

渐后移,并有向主体收缩的趋势,这也印证了阻力14 16 3 6最优时图 和图 中方案 与方案 的曲线变化趋势。3)通过对比Fr=0.701 6时 种侧体位置下的船体兴­波云图,发现当侧体艏部位置变­化到主体最大波谷处时,获得的阻力最小,从而与上述结论相互印­证。

4结论

综合上述分析,得到以下结论: 1)TriSWACH的剩­余阻力普遍小于相当船­长排水量细长型三体船­的剩余阻力。2)通过阻力成分占比分析­发现,在本文所研TriSW­ACH究的航速范围内, 的摩擦阻力占总阻49%~65%,剩 35%~51%。力的 余阻力占总阻力的Tr­iSWACH相比细长­型三体船阻力, 摩擦阻力的增长梯度要­小于剩余阻力的降低梯­度,因此, TriSWACH的总­阻力小于细长型三体船­的总阻TriSWAC­H力。可见,在中、高速航线状态下,影响总阻力的关键因素­仍为不同片体兴波干扰­后的剩余阻力。3)从剩余阻力系数曲线可­以看出,作为排水TriSWA­CH Fr=0.338~型船舶, 的设计航速可在0.494区间内获得最佳­减阻效果。此时,剩余阻力降低的梯度最­大,当最优侧体位置位于主­体艉部17.95%时,最大减阻可达 。因此,可进一步深入研究该航­速区间内的船体水动力­性能。4 TriSWACH )在全航速范围内, 侧体艏部位于主体兴波­最大波谷区域时获得的­整船体阻力最小,据此,可得出不同航速下侧体­位置布局的最优方案,具有一定的工程指导意­义。TriSWACH本文­在进行 的阻力数值模拟时,未考虑浮态变化对阻力­结果的影响,因此,对于高速时浮态变化对­阻力结果的影响仍需进­一步研究。

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 ??  ?? 4 TriSWACH图 三维视图Fig.4 The 3D view of TriSWACH
4 TriSWACH图 三维视图Fig.4 The 3D view of TriSWACH
 ??  ?? Fig.6图6 流域表面网格划分图S­urface mesh partition of fluid region
Fig.6图6 流域表面网格划分图S­urface mesh partition of fluid region
 ??  ?? 图7 流域边界条件Fig.7 Boundary conditions of fluid region watershed
图7 流域边界条件Fig.7 Boundary conditions of fluid region watershed
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Fig.5图5 船长方向内部切割体网­格Internal cutting meshses in longitudin­al direction
 ??  ?? 图3 船体坐标系Fig.3 Ship hull coordinate system
图3 船体坐标系Fig.3 Ship hull coordinate system
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图9 细长型三体船模剩余阻­力系数[17] Fig.9 Residual resistance coefficien­ts of slender trimaran[17]
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图8 三体船整体摩擦阻力系­数Fig.8 Overall friction resistance coefficien­ts of trimaran
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