高速船型融合特型球鼻艏的多方案优化设计

陆超

国内外对于艏部安装特种发射装置或超大尺度声呐系统附体的舰船设计，主要是基于一种使用工况，对舰船的快速性要求不高，船型上较易实现。其中，国内船型主要用于试验，设计航速低，属于低速船。在国外，前苏联、日本等国设计过类1823/1824型武装侦察渔船/似船型，如前苏联的鱼雷试验船，由拖网渔船改装/改建而成，目前，俄1 OC57，如图 1罗斯海军仍保留有 艘 所示。该船水线以下设“凸”型附体，中部为攻击声呐导流罩， 1 650 mm 1具右舷装有 具 鱼雷发射管，左舷装有533 mm 685 t，总长60m，鱼雷发射管。其排水量为12 kn，正 10 kn。日最大航速 常作业航速不超过2本“日向”级直升机驱逐舰，如图 所示，配备了为大型主、被动声呐阵专门设计的特型球鼻艏，其长40m 3m 30 kn。度为 ，最大宽度约 ，最大航速达现有的国内外类似船型使用工况均单一，除“日向”级外，其他类似舰船的航速指标低，附体对船型的影响不敏感。而本文描述的某高速船型（以下简称“本船”）， 2具有较为特殊的试验用途，需有 种使用工况：浅25 kn 0.494），吃水时应达到约 的高航速（傅汝德数约15 kn深吃水时应达到约 的较高航速（傅汝德数约0.295），二者均处于高航速范畴。同时，该船需在艏部布置用于安放特种试验装置的不同于常规球鼻艏的特型附体。配套的特型附体相对主船体尺

常规的描述球鼻艏几何特征的主要参数为球鼻艏几何形状、纵向长度比、相对浸深、宽度比、面

积比、体积比等［5-7］，而本文球鼻艏由于特种装备布置的需求，球鼻艏参数较难选择阻力最小的构型。该球鼻艏附体要求模拟水滴形艏部线型并满足某1m的型装置布置的空间要求，特型附体是半径为圆柱型、封头为椭球形的球冠面，与船体光顺过渡。

2 基于快速性的多方案优化方法

在前述约束条件下，本船型的优化目标为： 1）在尺度限制和主机功率范围内，达到浅吃水时的最大航速； 2）特型附体体积尺寸满足特种设备布置空间要求。本船基于上述目标进行船型设计和优化。

2.1 分阶段的船型多方案优化

以往的船舶线型设计，主要是通过参考成功的母型船、依据设计者的经验和进行船模试验来完成，这要花费大量的时间和费用，而且具有很大STAR-CCM+软件进行的局限性［ 8 ］。本文将采用高速水面舰船绕流场的数值模拟，并基于数值结果预报船舶阻力，进而结合船舶布置、稳性等要求4进行船型优化。优化工作大致分为 个阶段： 1）根据数值模拟结果，将船舶横剖面线型由尖舭变成圆舭。这使得该船型阻力或有效功率（设计航速与船舶总阻力之积）与原来的尖舭相比2.4%。此收益源于在相同尺度、相似横剖降低了面线型条件下，圆舭较尖舭湿表面积小。下文的船型优化工作主要在圆舭线型基础上进行。尖舭3 4和圆舭线型分别如图 和图 所示。2）在本船其他尺度受限的条件下，只能从型宽上进行优选。本文对比了相同船长、吃水，不同型宽（9.2 9.4 m）、排水量的两种船型，编号分别和

法。大涡模拟对计算机硬件的要求较高，在实际工程计算中应用尚不多见；雷诺平均法是采用非Navier-Stokes稳态的 方程对时间作平均来描述湍流，这种描述湍流流动的方法称为雷诺平均法，也RANS RANS即 方法。由于 动量方程中出现了未知的雷诺应力项，故需建立一定的模型。目前工程应用比较广泛的湍流模型有涡粘模型和雷诺应Realiz⁃力模型。本文工作采用基于涡粘假定的able k-ε湍流模型进行动量方程中雷诺应力项的封闭。

2.2.2 几何模型

4 2个阶段船型方案的主要元素如表 所示。

2.2.5 方程离散与求解

本文对自由面的处理采用有限体积法（volume of fluid，VOF ）来捕捉其形状，并且采用high-resolution interface capturing（HRIC ）格式处理不混合组分的对流输运方程。

2.3 计算结果与分析2.3.1 不同船型方案数值模拟阻力计算结果

完成船舶流场数值模拟后，进行了设计航速=25 kn v 时的总阻力和有效功率预报，模型尺度1∶20 （缩尺比 ）光体船模与基于二因次方法换算3所得的实船阻力如表 所示。=25 kn各船型方案在设计航速 v 时的总阻力12 13曲线和有效功率曲线分别如图 和图 所示。在综合分析，充分考虑稳性、布置等工程需要

2图 “日向”级直升机驱逐舰Fig.2 Hyuga class helicopter destroyer

1 OC57图Fig.1 OC57

图3尖舭横剖面线型Fig.3 The body plan with sharp bilge

11图Fig.11 FT2-WUTMB4-APP船型方案离散网格布置图Discrete gird layout of FT2-WUTMB4-APP scheme