基于STAR-CCM+的魷魚釣船波浪增阻數值計算與球鼻艏選型分析

李納，劉和煒，張彬

(1. 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所， 農業農村部遠洋漁船與裝備重點實驗室， 上海 200092; 2. 海洋試點國家實驗室深藍漁業工程聯合實驗室， 山東 青島 266237)

20世紀90年代以來，魷魚釣產業成為中國遠洋漁業的重要組成部分，到目前為止，中國已擁有600多艘遠洋魷魚釣船，分布在世界各大漁場[1]。燃油費在魷魚釣船的營運成本中占很大比重，從實際出發，在保持魷魚釣船功能和漁獲量不變的情況下，優化船舶性能，降低油耗，節能減排成為提高魷魚釣船經濟性能的重要途經[2]。

船舶在靜水和波浪中都具有優良的阻力性能是船舶優化設計的目標，船型設計不僅要考慮在靜水中具有較好的阻力性能，還需要考慮在波浪中具有較小的波浪增阻。隨著船舶計算流體動力學CFD理論的發展，越來越多的學者通過CFD 數值模擬技術對船舶在實際海況中的運動性能進行研究。陳霞萍等[3]闡述了直型艏與常規球鼻艏船型在靜水中的阻力性能與波浪中的阻力性能的比較研究；許賀等[4]探究了不同載況下船舶縱傾對波浪增阻的影響；方昭昭等[5]基于CFD方法建立了數值波浪水池，模擬了規則波浪的生成傳播，并對頂浪航行船舶的運動進行了模擬計算研究。遠洋漁船因為常年在海上進行捕撈作業，遇到惡劣海況的概率比其他船舶更大[6]，因此，結合縱傾、升沉等因素綜合分析船舶在波浪中的阻力，進行船型優化更有實際意義。

中國遠洋魷魚釣船的船長范圍為45～75 m，設計航速11～14 kn，傅汝德數0.24～0.30，屬于中速船。本研究采用CFD 軟件STAR-CCM+對一艘49 m典型遠洋魷魚釣船(方形系數0.7，傅汝德數0.3)進行了靜水及迎浪情況下的阻力預報，并對球鼻艏進行選型分析，比較了魷魚釣船無球鼻艏和加裝撞角型球鼻艏、上翹型球鼻艏后的阻力性能[7-8]，以期為遠洋魷魚釣船的設計、建造提供參考依據。

1 模型簡介

1.1 計算船模參數

計算船舶實船主尺度參數如表1所示，計算中采用縮尺比為1∶20的船模進行計算。利用CATIA進行三維模型建模[9]，得到漁船三維模型如圖1所示。

圖1 49 m遠洋魷魚釣船三維模型圖Fig.1 3D model of 49 m ocean squid fishing vessel

表1 主尺度參數Tab.1 Principal scale parameters

1.2 有航速波浪中直航環境參數

有航速波浪中直航試驗類似于船模耐波性試驗[9]，進行耐波性試驗的理論基礎為線性假定下的小波浪理論，采用的深水波的周期T、波速c和波長λ分別按下列公式計算：

式(1)

式(2)

式(3)

在規則波中進行船模試驗，對一般船型來說，波長范圍從0.5LPP到2.0LPP左右，試驗波高與船長LPP之比應小于1/50[10]。

2 數值計算

2.1 計算模型網格劃分和邊界設定

STAR-CCM+是基于有限體積法建立的高度集成化仿真工具，在船舶行業有較為完整的解決方案。其DFBI模型結合自由面模型可以模擬船舶漂浮在海面上的6自由度運動；同時STAR-CCM+的造波邊界可以模擬線性波和5階Stokes非線性波作為來流進行計算，廣泛應用于船舶行業，成熟度較高[11-14]。

計算網格劃分采用切割體，由于計算中船模僅有縱搖及升沉運動，因此對船體模型采用對稱建模[15]，如圖2和圖3所示。船體的中縱剖面邊界設置為對稱面，速度入口距船首約2.5LPP，壓力出口距船尾約3.5LPP，可以保證船體周圍流場的穩定性。同時在壓力出口邊界設置阻尼層消波防止出口處回流影響船體周圍的流場，在自由面附近對網格進行了加密處理以有效地捕捉自由液面位置，船體表面附近添加邊界層可以更加準確地捕捉邊界層流動[16]。

圖2 計算域示意圖Fig.2 Schematic diagram of computational domain

圖3 計算域整體網格劃分圖Fig.3 Overall grid plot of computational domain

靜水直航阻力計算和有航速波浪中的直航計算均采用非定常計算，入口為速度入口。靜水直航阻力計算采用VOF WAVE中的靜水波邊界條件；有航速波浪中的直航計算采用線性波邊界。計算利用整體運動網格，采用DFBI模型計算中允許船模具有縱搖和垂蕩運動自由度。

2.2 靜水直航阻力計算分析

靜水阻力計算中，考慮了船模的縱傾和升沉運動，計算開始時流場變化較大，數值結果不穩定，隨著計算的進行，流場趨于穩態，船模保持一定角度的縱傾和對應的升沉水平，此時阻力計算結果趨于穩定值。以Vm=1.437 9 m/s(即實船航速12.5 kn)為例，圖4為計算過程中船模的升沉運動時歷曲線，圖5為計算過程中船模的縱搖運動時歷曲線，從圖中可以看出船模運動已趨于穩定。圖6為自由面興波圖，從圖中可以明顯的看到船體附近形成的開爾文興波情況。計算中船舶航速在2～18 kn之間每隔2 kn為一個計算點選取，共計9個航速點，不同航速下模型阻力計算結果和實船阻力換算結果見表2。

圖4 船模升沉運動時歷曲線Fig.4 Time-history curve of ship model heave motion

圖5 船?？v搖運動時歷曲線Fig.5 Time-history curve of pitch motion of model ship

圖6 自由面興波圖Fig.6 Free-surface wave-making diagram

表2 模型阻力計算結果和實船總阻力換算表Tab.2 Model test results and real ship resistance conversion table

2.3 有航速波浪中直航增阻計算分析

有航速波浪中直航試驗與船模耐波性試驗類似，通常該類試驗是為預報船舶在海浪中的阻力增值[17]。進行船模試驗時，可在規則波或不規則波中拖曳船模，通過一定速率下波浪中的實際平均阻力與靜水阻力之差得到海浪中的阻力增值。根據實船航行經驗，最大的阻力增值是在頂浪狀態，因此大部分的船模試驗是對頂浪情況進行的。本研究采用與船模試驗相同的流程及方法進行計算模型數值模擬。計算模型在規則波中的運動試驗選取設計航速下計算模型在一系列(應不少于10個)頻率的波浪上進行模擬，對應波長等于船長附近的頻率間隔應取密些[18]?？紤]船模的縱傾和升沉運動，規則波頻率點及對應的波浪參數如表3所示。

表3 規則波頻率點及對應波浪參數Tab.3 Regular wave frequency points and corresponding wave parameters

在波浪直航阻力計算過程中，最初流場變化較大數值結果不穩定，隨著計算的進行船模逐漸以某一周期性進行運動，即縱搖及升沉運動均有一定的周期性。以ωm=5.143為例，圖7為計算過程中自由面形狀，可以看出在艉部有較明顯的興波，同時在船首自由面形狀有較為復雜的變化；圖8為計算過程中船模的阻力時歷曲線，在計算穩定后阻力大小呈周期性變化。

圖7 計算過程中自由液面形狀圖Fig.7 Free surface profile

圖8 船模阻力時歷曲線Fig.8 ime-history curve of resistance of ship model

船模在規則波上的試驗波高H應為模型長度的1/40～1/60(即Lm/40～Lm/60)，本船根據計算模型長度取數值計算規則波波高為Hm=0.05 m。本船設計航速為12.5 kn，相應船模航速為1.437 9 m/s，船模在設計航速下不同規則波頻率下的平均阻力值如表4所示。

表4 不同波頻下計算模型波浪中平均阻力值表Tab.4 Average resistance of the model in waves under different wave frequencies

2.4 實船不規則波波浪增阻換算

船舶在波浪上運動，輸入波能譜密度，輸出船舶波浪增阻譜密度[19]。根據譜分析可得：

式(4)

式中：Sx(ωe)—船舶有航速波浪增阻能譜；Wx(iωe)—遭遇頻率的波能譜；Sζ(ωe)—船舶迎浪波浪增阻對規則波的頻率響應函數：

式(5)

根據以上公式，將計算模型波浪增阻計算結果換算至不同海況下實船結果。表5給出了兩種典型海況下設計航速時的波浪增阻。

表5 典型海況下平均波浪增阻Tab.5 Average wave drag increase at design speed under two typical sea conditions

式(6)

式中：SH(ωe)—波譜密度；ωe—遭遇頻率。

通過數值模擬得出設計航速時，實船靜水阻力為68 kN，考慮波浪增阻后，在北大西洋最可能海況和世界范圍典型海況下船舶的阻力增加了25%和18%。

3 球鼻艏選型分析

3.1 球鼻艏形式

漁船裝設球鼻艏的決定因素在于球鼻艏的減阻效果[20-21]，而球鼻艏能否降阻取決于船型的方形系數和傅汝德數。根據計算船舶的方形系數和傅汝德數，加裝撞角型球鼻艏和上翹型球鼻艏，通過模擬計算，研究不同船首形式對魷魚釣船阻力的影響[22]。

通過改變球鼻艏的形狀參數計算船舶設計撞角型球鼻艏和上翹型球鼻艏[23]，船首形狀如圖9所示。

圖9 船首形狀Fig.9 Bow shape

3.2 阻力計算

利用數值模擬方法對加裝撞角型球鼻艏和上翹型球鼻艏的船舶進行船體阻力性能計算[24]。將計算結果與普通船首(無球鼻艏)阻力性能繪制成曲線進行比較，其阻力性能曲線如圖10所示。由圖10可見，靜水直航狀態，航速8～14 kn，撞角型球鼻艏的減阻效果優于無球鼻艏和上翹型球鼻艏，航速超過14 kn后，上翹型球鼻艏的減阻效果優于撞角型球鼻艏。設計航速12.5kn時，撞角型球艏船型阻力降低了15%，效果最顯著。

圖10 不同形式球鼻艏阻力性能曲線Fig.10 Resistance performance curves of bulbous bow in different forms

為了比較球鼻艏在波浪中的失速情況，計算船模在規則波和不規則波上迎浪時的阻力[25]，將計算模型波浪增阻計算結果換算至兩種典型海況下設計航速時的平均波浪增阻，結果如表7所示。與普通船首(無球鼻艏)船型相比較，撞角型球鼻艏和上翹型球鼻艏船型波浪增阻都降低了，撞角型球鼻艏波浪增阻為21%和14.7%，分別降低了16%和17%，減阻效果最顯著。因此，對于方形系數0.7，傅汝德數0.3的遠洋魷魚釣船，采用撞角型球鼻艏不僅能有效地降低船舶靜水阻力，還能降低波浪中的阻力增加。

表7 兩種典型海況下設計航速平均波浪增阻Tab.7 Average wave drag increase at design speed under two typical tea conditions

4 結語

普通船首魷魚釣船在北大西洋最可能海況和世界范圍典型海況下設計航速12.5 kn時的平均波浪增阻占靜水阻力的25%和18%，造成漁船在實際航行中失速，因此，在設計初期計算主機功率時要考慮根據漁船作業海域實際海況波浪增阻增加功率儲備。

加裝撞角型球鼻艏后魷魚釣船在設計航速時的靜水阻力降低了15%，兩種典型海況下，波浪增阻降低了16%和17%。因此，對于船長范圍45～75 m，設計航速11～14 kn，傅汝德數0.24～0.30的遠洋魷魚釣船，加裝撞角型球鼻艏后船體的靜水阻力和波浪中阻力減阻效果最優。