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基于全尺寸CFD方法的大型中速双体船的水动力船体模型设计空间探索
摘要
大型中速双体船是目前正在开发的新型船只，目标是实现高效节能的可持续的快速的运输。目前没有适当且可靠的数据来指导这类船型的设计，因此本文研究了大范围的单片体长度排水体积系数（长细比）来确定节能船的设计空间。利用计算流体动力学的粘性自由表面流动模拟方法的来研究不同双体船结构的阻力特性，这些双体船都是空载状态且具有相同吃水，但是船长从110米到190米不等。模拟是在全尺寸雷诺数（log（Re）= 8.9-9.6）、弗劳德数在Fr = 0.25到0.49的情况下进行的。船长小于等于130米的船体在航速低于26节而且为空载条件下有着高效的运输效率，150米和170米的船体显示出在重载情况下的效率高，速度可达35节。此外，通过研究本文得出的结论是，控制单片体长度排水体积系数在11和13之间可以使阻力最小。
1 引言
大型中速双体船是一种新型的可持续使用的客船或货船，它是对现代高速双体船的发展。现代高速双体船的特点是具有两个大型的单片体来获得足够的装载能力。它们由喷水推进器推进，长度可达125米，以40节以上的速度航行，通常弗劳德数为Fr = 0.6-1.0。与单体船相比，其主要优点包括良好的横向稳定性和在细长的非均质船体条件下获得较大的甲板面积，因此能够实现低兴波阻力和低波浪附加阻力，并且具有良好的操纵性[1]，能够实现高效快速的海上运输。然而，从环保角度来看，这些高速运行的船是不可取的[2]。
燃料成本的持续增加，社会对环境可持续性的日益关注以及官方对限制排放的规定-例如MARPOL 73/78附则VI [3]，提高了高校节能船舶的的需求。在这种背景下提出在高速双体船的基础上降低航速，不仅能得到高速双体船的低阻力优点，而且可以提高燃油的利用率，得到更高效的船舶。然而，对于传统上以高弗劳德数设计和运行的船舶而言，在这种较低速度范围内对最合适的船体形式知之甚少。因此，本论文研究中速双体船的最合适的设计模式，通过最小化阻力来获得最大的节能效果。
单片体长度排水体积系数（L /nabla;1/ 3）和片体距离比（s / L）被认为是影响高速排水双体船阻力的最重要的两个设计参数[4]，[5]拥有细长的单片体是减少双体船环境影响的关键[6]。这两个参数已经应用计算和实验方法进行了深入的研究。主要的例子包括：[5]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[15]，[16]和[17 ]。虽然只有少数研究[2]，[9]，[10]，[14]研究了非常细长的长细比超过10的细长体，但从结果可以总结出，增加单片体的细长度和片体的间距都会导致最大速度附近的船的总阻力减小。大多数论文对片体分离率s / Lgt; 0.2的情况进行了研究，一些研究[11]，[15]，[17]，[18]表明，在片体距离比较近的情况下 （s / L lt;0.2），最大速度附近阻力对片体距离的敏感性较低。
在较早的研究[19]中，作者表明可以利用船型系列数据中的长度排水体积系数和片体距离来研究大型中速双体船的船体。与现代高速双体船相比，中速双体船的运输效率大幅提高。然而，当航速在30节左右时，非常细长的双体船的阻力数据不能用于全面调查节能设计的设计空间。因此，本研究的目的是为拥有细长的单片体且航速在最高航速附近的大型双体船提供阻力数据，以充分探索设计空间。
在目前的研究中，使用计算流体动力学（CFD）方法，在雷诺数为8.9 lt;log（Re）lt;9.6，弗劳德数为0.25 lt;Fr lt;0.49的条件下，研究了L = 110,130,150,170和190m的五个不同长度的双体船壳体。长度排水体积系数范围为9 lt;L / 1/3 lt;15，片体距离比范围为0.135 lt;s / L lt;2.33。虽然[20]的作者已经表明，CDF工具能够正确预测中速双体船的阻力，但还是进行了进一步验证。该作者利用现有的模型试验结果和经验船模校准线，在模型尺度方面对基础模型进行了验证。
本文利用相对较小间隔的细长片体，研究了大型中速双体船的阻力特性，以满足当代快速海上交通的要求。它旨在进一步了解这类船体的流体动力学特性以及在用作客滚船时的运输效率方面的表现。
2 方法
为了研究特殊船型对最高速度附近大型中速双体船总阻力的影响，开发了一个船体形式族，并采用基于RANSE的CFD方法进行了阻力预测。 如前所述[20]，这是一种精确的方法，并且优于其他方法，如潜在流动解决方案[21]。
2.1 设计规则
本文选择了一种新颖的方法来研究细长单片体对阻力的影响。使船体长度不同（L = 110 - 190 m），但使总宽度（Boa = 32 m）和单片体宽度（Bdh = 6.4 m），吃水（TLIGHT = 3.2 m）和在轻载条件下的方形系数（CB = 0.50）和棱形系数（CP = 0.63）相同。恒定的单片体宽度和吃水确保不会违反诸如运河和港口基础设施等的运营要求。每一个船体都有三种空船重量状态，吃水TLIGHT = 3.2m的轻空船重量，吃水TMEDIUM = 3.6m的中空船重量和吃水THEAVY= 4.1m的重空船重量。除了轻空船重量船体的排水量和船长的平方成正比（Davidson et al。2011 [2]），其他船体的排水量和船长的一次方成正比。假设浮力等于载重量和空船重量之合，在轻空船重量下，船只将具有很大载重量。
2.1（a）设计规则的影响
对于中等载荷和重载载荷的情况，较长的模型可以达到较高的载荷，因为在恒定宽度的船体上增加长度会增加水线面面积。对于重载条件的情况，最短的船体能够承载其在轻载条件下自重的180％，而最长的船体能够承载其在轻载条件下自重的280％。在较早的研究[19]，另一个要求是保持甲板面积（Ltimes;Boa）恒定，以比较不同长度的双体船设计。这种方法可以更有效的保持总船宽不变。但请注意，如果所需的甲板面积不足，则可为这种尺寸的船舶增加额外的甲板。
由此产生的船体结构系列包括图1所示的6种型号，长度范围从110到190米; 拥有不同的排水量;片体分离率（s / L）在0.13到0.23之间变化; 长度排水体积系数（L /nabla;1/ 3）为9-15，横向构件浸没比为0.21-0.28。所有三个比率系数和船体的长度有关，而后两个比率也取决于装载条件（轻，中，重）。
片体分离比是影响双体船设计的最重要的因素之一，可以影响双体船的阻力[7, 22]。在本文研究中，片体间距保持不变，但随着长度的增加，片体分离比（s / L）也增加。为了研究片体分离对阻力的影响，对130 m和170 m的船体在两个方向上增减了相当于半个单片体宽度的距离，以得到轻，重排水量时两个弗劳德数（Fr = 0.37,0.45）。对于130m船体来说，片体分离比为s / L = 0.15， 0.20，0.25，对于170米的船体，片体分离比为s / L = 0.11,0.15,0.19。因为我们有具有相同长细比，但是不同的横向构件浸没比和s / L的船体存在，因此也可以研究横梁浸入和分离比对阻力的影响。
本文使用的船体结构系列可以使研究者从流体动力学角度分析阻力特性，考虑相对于相应排水量的阻力。此外，它允许从设计的角度出发，兼顾阻力的同时考虑了船只能够承载的载重量。后者与早期工作中所述的运输效率的倒数成正比[19]。
2.2模拟技术
基于RANSE的（雷诺平均Navier-Stokes方程）求解器采用OpenFOAM 2.3的瞬时计算、粘性多相流动和动态网格运动（interDyMFoam）来模拟双体船周围的流动。它允许建立自由表面波和湍流边界层，部分横向构件浸没和船体的刚体运动，包括升沉和纵倾现象。 根据壁面函数使用SST（剪切应力传输）湍流模型，并且选择涡流粘度比为10。 对称平面设在两片体垂直距离的中心线上。 在分析过程中，所有正在考虑的船体形式都被缩放到2.5米长。
2.2（b）网格生成
使用blockMesh，snappyHexMesh和来自OpenFOAM工具箱的refineMesh生成一个由块结构的基础网格和六边形非结构化网格组成的混合网格，该网格具有靠近船体的悬挂节点。块结构的背景网格允许在自由表面和船周围具有更高的网格密度，并平滑过渡到接近域边界的粗糙单元。在船周围的网格被改进，特别注意在片体之间，横梁尾部区域和开尔文波角内的改进。入口位于船的前方两个船长处，出口在船尾后五个船长处。图2显示了单元级别的网格的主要设置，这是网格密度的度量。它的范围从域底部的0到船体附近的4。在第零层处网格大小约为船体长度的2％，并且随着网格等级的增加，网格密度每一层增加8倍。网格以1:4纵向几何压缩比产生，并最终还原至原始纵横比，以允许原始立方体网格在流动方向上拉伸以减少细胞计数。立方单元使snappyHexMesh在船体周围的网格细化和表层方面得以优化。第一层有四个高度为一毫米棱柱薄层，并有 20％的外扩被用来捕获边界层流，允许在模型尺度上y asymp;50，在实船上y asymp;10,000。选择总网格计数以确保计算效率，能得到准确的结果，完整的表面层和有效率的划分网格。
为了保持恒定长度的但是不同的吃水和船宽的船体之间的网格相同，，背景网格被调整以确保相对应的吃水和宽度具有相同数量的单元。这导致细长体的网格尺寸增加，因为纵向网格的数量增加以配合立方体网格。总网格数在600k到800k之间变化。
2.2（c）全尺寸CFD的确定性方法
该数值研究使用基于实验和经验数据的混合方法来全面预测并验证。 首先验证了计算模型，在模型尺度上与实验数据进行对比以确保在模型尺度的傅汝德数和雷诺数下的流动特性相同。
假定压力和兴波阻力的预测准确性与雷诺数无关，仅取决于相对于船体长度的网格大小。 由剪切引起的阻力与已建立的船模相关线比如ITTC #39;57和Grigson [23]进行了比较，其中根据可接受的假定，总阻力可为分解为正向和切向应力。
通过改变流体的粘度实现全尺寸雷诺数，而几何性质保持在模型尺度。 如果产生的剪切力与经验数据非常吻合，则假定由此计算得出的总阻力是可以应用的。
2.2（d）模型尺度的实验验证
这个130米的船体是这个船体结构家族的基础模型，之前在澳大利亚海事学院的拖曳水池中进行了测试，结果如前[2]，[14]。 对于这项研究，傅汝德数Fr = 0.28,0.37和0.45时的阻力分别与轻，重排水量时的实验结果进行了比较。 这三种速度在阻力曲线中代表连续峰值，阻力曲线凹凸产生的峰值，后者产生的峰值是主要的。
3 结果
以下部分包括验证全尺寸CFD新方法的结果以及设计空间探索的结果。 第4节讨论如下。
3.1验证
与模型测试实验相比，可以看到阻力方面的一致性。相对误差通过下式定义
通常在实验结果之下的数值预测中观察到εlt;5％的偏差。 对于Fr = 0.28时的重排水量时数值超过了实验结果的7％，这可能是由于在这种条件下有部分全通的横向构件。 所有三种情况的剪切力系数都在ITTC和Grigson的相关线内。
图3显示了数值和实验结果之间相对偏差的绝对值。 这些值与长度为3米的非常规快速排水船体（DTMB 5415）的中值总不确定性进行比较，同时进行一个实验不确定度测量。 这些数据由来自不同模型试验设施的模型试验数据确定，并进行ITTC标准分析[24]。
3.2修长船体水动力特性
3.2（a）总阻力系数
图4显示了基于数值模拟的全尺寸船舶的总阻力系数（CT）与弗劳德数和排水量的相互关系。 阻力系数随着细长度的增加而减小，阻力曲线中的凹陷和凸起变得不明显。 当Fr = 0.40-0.49时，L = 150-190m的船体的阻力系数几乎保持不变。 然而，这些船体在排水量和湿表面积方面有所不同，因此不能得出综合性能优良的最优船型参数。
3.2（b）无量纲阻力
图5显示了相对于弗劳德数的中载排水量情况下由体积排水量密度，重力和弗劳德数平方得出的无量纲阻力：
这些图表明，随着弗劳德数增加，无量纲阻力减小，在Fr = 0.37时达到最小值，此后以不同的速度增加，而110米和130米的船体则增加的比较快。轻载和重载排水量时也表现出这一规律，但对于Fr lt;0.37，190 m船体在较轻排水量时表现出较高的无量纲阻力，110 m和130 m船体在较高排水量情况下表现为较高的无量纲阻力。
对于轻载排水量的情况，Fr = 0.25 - 0.37的110 - 150米的船体被分成一组，较长的船体阻力性能更优。 对于中等排水量，得到一组L = 130-190m的曲线，对于重载排水量，得到一组L = 150-190m的曲线。 该组之外的船体具有较高的阻力
3.2（c）剪切力
图6显示了与ITTC和Grigson的船模相关线相比，每个排水量的剪力系数的预测值均在两条线的边界之间。 此外，所有考虑的排水量情况都可以观察到阻力与弗汝德数有关。 与中等排水量情况相比，轻载排水量下的剪力系数增加，而重排水量情况下的剪力系数下降，但仍保持在两条经验线之间。
3.2（d）粘压阻力
在轻载排水量的情况下，粘压阻力占总阻力的百分比在0.25-0.60之间变化。对于190米船体，其范围在0.25-0.30之间，对于110米船体，其范围在0.45-0.60之间。百分比最高值出现在轻载排水量和最大弗劳德数（Fr = 0.49）的情况下，百分比最低值出现在重载排水量且最小弗劳德数（Fr = 0.25）时。 对于中等排水量，相对粘压阻力在0.30-0.70变化，对于重载排水量在0.35-0.75变化。 最低值始终在Fr
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