关于一种新型不对称外壳双体船的CFD研究

摘要：这篇文章的目的是从实验和数据分析两个方面来研究拥有不对称片体的双体船。实验研究的结果是从先前的基于双体船船模实验中获得的，结果显示出此船型的波浪阻力非常小并且此船型能产生更小的能量损失和更高的效率。片体的形状是通过商用的CFD软件进行优化，特别是对三种不同的双体船宽度进行测试并且比较他们的性能，它的结果显示出对船壳形状做出一些改变可以明显的减少能量的损失。

关键字：CFD;拖曳水池实验；双体船；运动阻力；波浪阻力

介绍

为了商业和军事运输，在过去的十年里高性能船舶市场快速发展，这已经激起了设计师和船东在双体船和可选择的的多体船领域的兴趣。因为双体船和多体船能够很好的平衡船舶对航速的需求和耐波性的要求。在这个领域，人们把很大的注意力放在了片体的形状方面，最主要的原因可能是波浪之间的干扰已经几乎不能影响船体阻力了。（Bertram，2002；Schneekluthand Bertram,2002;lasson and Baba,1996;White,1991）

这个文章的目的是研究通过优化片体的横剖面形状来减少在波浪中的能量耗散，然后研究波浪能量局部转化为另一种适当形式的能量的可能性，最终最大化双体船的水动力效率。一种创新形式的片体被提出并被应用于快速船领域，它的特征是船的每个片体是不对称的，每个片体的由平整的外表面和内表曲面组成最终形成了一个缩放隧道。设计水线的高度是从以往的数据研究中获得(Damiano, Lazzara, Mancuso and Virzirsquo;Mariotti, 2003) (Fig. 1)。对于这个模型来说，在航行的过程中，船体给波浪的能量没有离开船体去外面，而是保持在双体船隧道内，这就使得水流在隧道内的收缩处速度增加，而水流在离开收缩处到发散过程中波浪中的能量转变成了一些压力，这些压力对于船体的牵引力是有好处的。

许多关于不对称片体双体船的阻力问题的论文已经被发表了(Bruzzone, Ferrando and Gualeni, 1999; Kaklis and Papanikolau, 1992; Papanikolau, Kaklis and Spanos, 1996;Zaraphontis, Spanos and Papanokolau, 2001)；然而关于片体内缘不对称的信息是有限的。具体的这篇文章的目的（Bruzzone, Ferrando and Gualeni, 1999）研究一些影响双体船阻力的关键因素，他的方法是通过在相同排水量下比较片体外部不对称的双体船以便深入的研究双体船片体间复杂的干扰问题。这个作者(Kaklis and Papanikolau, 1992)已经开发并提出了用于计算拥有不对称片体的双体船的分析计算方法。一个深入的Michell方法被建立（Papanikolau, Kaklis and Spanos,1996）去计算拥有不对称片体的双体船的波浪阻力。作者(Utama,Jamaluddin and Aryawan, 2012)通过实验结果得出到随着船体片体的间距增加阻力会减小，但是他们没有立刻设计出一个实际的船出来。文章（ouser,Molland, Armstrong and Utama, 1997）在针对发展高速方尾来减小阻力提到过双体船。最后作者（Zaraphonitis, Spanos and Papanikolau,2001）表明当前的工作是通过实验比较在一定的速度范围内，外部和内部不对称的双体船哪个的效率更高，并且强调了深入研究这个问题的重要性。

一个三维数据优化的方法给了片体优化解决的方法，它改进了先前的结果(Damiano, Lazzara, Mancuso and Virzirsquo; Mariotti, 2003;Damiano, Stroligo, Virzirsquo; Mariotti and Zotti, 2009)。采用CFD代码对运动阻力进行数值研究，通过艺术表现的方法来模拟和仿真流体的流动和传热。选择VOF来进行仿真，因为它能允许两种或者多种流体穿透的多相系统来进行仿真，他通过发现创建接口的跟踪在相位之间进行界面捕捉。

拥有不对称片体的双体船

一个特殊的收缩隧道（图1）使水流加速进入收敛的位置直到V_Cgt;V_S，V_C是船舯处水流进入隧道的速度，V_S是船速。因此，如果将一个螺旋桨放在船舯处的隧道，这个与运动量成正比的推力正比于V_f-V_i=V_f-V_c，V_f是螺旋桨后水流的速度，V_i为螺旋桨之前的水流速度。

在传统的双体船中，对于片体之后的螺旋桨，速度V_i同时产生了一个船速V_S。因此，速度V_f相等，有：

所以拥有不对称片体的双体船比传统的双体船所需的推功率更低。用另一句话说，在其他的条件都相同时，进入隧道内的水流加速，从而减少了螺旋桨需要给水流的速度，这就增加了双体船的效率。

图1设计水线

一个从图1的优化设计水线得到的实验模型，他的中横剖面形状很简单，是以矩形的型式表现出来的（图2和图3），双体船的主要几何参数如下：

水线长 L _WL= 1 m;

船宽 (表格1);

片体宽 B_m=0.081m；

吃水 T_m= 0,075m

排水量 Delta; = 9,235 kg;

湿表面积 S = 0,4318 m 2

图2 船横剖面图

图3双体船(透视）

这个模型被用于一系列初步船模试验池测试(图4)，它的目的是通过拥有不同的船宽B_M和水线长度L_WL的比值（表1）的船模来分析波浪的形式，这为随后的三维数值模拟进行船型优化提供内容有用的评估。实验的几何配置在表1中。

表1

图4船模试验水池测试

1）实验结果

ITTC测量阻力的标准程序是通过船模以一定的速度进行拖拽实验来测量总阻力R_T，图6显示了总阻力与傅汝德数关系的曲线，这作为随后数值模拟的基础。

图5总阻力曲线(实验测试）

众所周知，傅汝德数的定义是：

是模型的速度是模型的水线长，下面的关系是阻力系数计算：

Sm是湿表面积。图6比较了3个调查用例的阻力系数曲线。可以很清楚的观察出，对于Froude数在0.45和0.5之间，曲线显示出最大的阻力系数，当Froude数超过0.5时阻尼系数快速下降。

图6阻力系数(实验测试）

为了将注意力集中在阻力系数的最大值上，考虑速度范围在0.3到0.7Fn之间的情况下进行了实验测试。不幸的是，水池的有限长度不允许对超过0.7Fn的速度进行实验。

数值模拟

初步的数值研究把研究的重点从研究数值模型的总阻力调成建立在水池上测试的双体船的模型，唯一的不同的是图1中所示的内表面的下边缘采用圆角过度，这样做是为了简化网格的阻塞，将网格保持在可接受的水平。这两个表面，内部和外部，构成了双体船的外壳，以10x6的矩阵为模型，被模拟为双立方表面控制点(用于水线的10个控制点和6个站线的控制点)。这些表面是用中性的IGES格式单独保存。

表2模型的数据

表2显示出了初步建立的模型的主要几何参数，这些参数与实验的参数进行了对比。在这个表格中，数值模型和实验的吃水T不同，这是因为圆角的设定（在图7可见），为了补偿这一设定对于双体船片体水下体积的损失，为了保证在排水量相同时来比较数值和实验的数据而设定吃水不同。

图7船体在船中部部分

图8设计水线控制点

一个非结构化的六面体网格(图9，10)已经被用于数值研究。这个啮合的物理系统的网格划分是基于块拓扑的概念。啮合的最终版本表示分块策略的长期细化过程的结果，目的是为了保证适用于流体动力学问题解决方案的适当分级，并正确地考虑了双体船底表面的普朗特极限层。

考虑到海洋对自由表面的影响，以及水和空气的存在，对运动总阻力的研究的影响。以上问题涉及到在船体周围流动的问题中，更合适的多相模型是流体模型(VOF)。更合适的湍流拖曳水池模拟的模型是K-标准;这是基于Wilkox的理论(Wilcox，1998年)，结合了关于低雷诺数的影响，可压缩性和切流传播。在表3中列出了控制排水体积的主要数据。

图9六面体网格用于数值调查

图10特定的六面体网格

2）初步数值模拟结果

第一个系列的模拟涉及到0.3和0.7fn之间的速度变化，这就可以得到在Case B双体船的初步数据，结果表明，最佳实验结果与数值计算结果显示出一个定性的比较。图11重新列表了初步数值研究的结果。

表3控制的数据

图11阻力系数(数值和实验数据，B=0.400米）

根据（Tuck,Scullen and Lazauskas, 2002) and Michell 的理论（Michell, 1898)，数值和实验结果2个都表明Froude在0.47到0.52之间的

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