基于CFD方法的球鼻首减阻优化研究

摘 要：本文采用CFD技术进行球鼻首设计与优化。CFD方法可准确模拟船体绕流流场，预报船体阻力。经过方案设计与优选，水滴型球首数值计算减阻效果接近6%，船模试验减阻效果超过3%，表明采用CFD方法可预报高雷诺数下的船舶阻力，是船舶性能优化的前沿技术。

关键词： 球鼻首；CFD；FLUENT；VOF；RANS

中图分类号：U661.31+1 文献标识码：A

Abstract：Based on CFD approach， a scheme is proposed for bulbous bow design and optimization. The streaming field around the hull is precisely simulated and the resistance is accurately predicted. The drag reduction by the recommended bulbous bow could come to 6% while 3% is obtained by the model resistance test. It is demonstrated that CFD approach should be appropriately applied to resistance prediction in high Re number and it should be an advanced technique for hull form optimization.

Key words：bulbous bow；Bulbous bow；CFD；FLUENT；VOF；RANS

球鼻首设计与优化作为普遍应用的船舶减阻技术，可运用在不同航速范围的船舶上。在船舶上采用球鼻首设计常能取得减小兴波阻力、破波阻力和舭涡阻力等效果。球鼻首设计是一个比较复杂的问题，应根据船型特征、浮态、吃水和航速等具体条件进行形状及其相应参数优化。球鼻首的设计需要解决两个关键问题：一是球鼻首主尺度的设计；二是设计球鼻首的船体阻力性能预报。

采用CFD进行船型阻力研究与预报是船型设计研究的前沿技术，近十年来业界不断有对复杂外形物体（包括附体、螺旋桨、舵等）流场模拟、实船雷诺数计算和并行运算的应用等方面的研究论文发表[1-4]。鉴于实船阻力预报的诸多困难，当前国内对于船舶阻力的预报多见船模阻力预报而少见实船阻力预报 [5-8]。

本文采用CFD方法直接对实船船型进行阻力研究与预报。研究工作以新型10 t旋转吊航标工作船的船型为优化目标，基于CFD方法建立实船阻力分析的水动力计算模型，以阻力指标为优化目标，按“尺度设计 → 型线设计 → 数值模拟 → 调整船体首部型线 → 数值模拟”的优化过程，逐步逼近最优的船体首部球鼻首型线。

1 球鼻首设计概要

根据塞维尔雷夫（Silverleaf）通过大量试验资料分析提出的球鼻首效果限界方形系数式子： 。经检验，目标船的 大于限界方形系数，满足设计要求。针对航标工作船其首肩肥大的特点，设计SV、水滴、球形共3类球鼻首，探讨球鼻首的形状及其相应长度、高度对目标船的航行阻力的影响，搜索与船体匹配最优的球鼻首。分别设计7型球鼻首，其主要参数如表1所列。

根据表1所列球鼻首主尺度参数及原船的型线进行线型3D光顺。按照球鼻首主尺度参数，利用原船纵剖面进行拉伸变换、3向光顺，不断反复调整，设计出目标球鼻首。

2 CFD方法的验证

本文采用FLUENT软件的RANS湍流模型对船体模型周围流场离散化求解。3D船体阻力计算由于考虑到重力的影响，压力插值方式采用体积力加权方式；压力速度耦合方式采用SIMPLE算法；动量方程的离散格式采用有界的中心差分格式；采用VOF方法模拟自由表面。出于节省计算时间考虑，本文数值计算模型采用半船模型（计算模型对称于纵中剖面）。

计算模型：坐标原点定于船体中纵剖面内船底基线与舵柱的交点；X轴沿船长方向指向船尾，Y轴沿船宽指向右舷，Z轴垂直向上。来流方向沿X轴；上下左右四个边界均为对称边界；出口端部的边界条件设置为压力出口边界。整个流场的网格均采用四面体非结构化网格，靠近船体区域的网格较密，越远离船体：网格逐渐稀疏化，如图1所示。

数值计算的总阻力以及其各个成分与其船模试验结果偏差很小，如表2所示。通过模型试验检验说明上述的计算域的大小、计算域的边界条件、时间步长以及网格的划分是合理的。

3 CFD方法的数值模拟结果

原船自由表面如图2所示。选取Waterdrop_II型球鼻首作为重点考察的球鼻首首形，其自由表面如图3所示。由图中可观察到船体周围的首艉兴波（尾部横波）及肩波。比较两图可观察到的一个明显的现象：加装球鼻首后，船首部进流角减小，船首部水流阻塞得到一定程度的改善。结合表3数值计算的结果，说明新设计的球鼻首对降低船首部水流阻塞起到一定的积极作用，降低了船体兴波阻力。

根据数值计算的结果，列出设计吃水下原船阻力与加装各型球鼻首后阻力的数值计算结果进行比较，如表3所列，分析表3数据可以得到以下结论：

1）由阻力数值计算的结果可知，对比原船阻力计算值，船体加装球鼻首后摩擦阻力或轻微增大或轻微减小。其主要原因是球鼻首增大了船的水线长度，根据1957 ITTC摩擦阻力系数公式，加装球鼻首后船体的摩擦阻力系数减小而湿表面积轻微增大。综合二者的变化船体的摩擦阻力轻微增大或轻微减小。

2）对比加装 SV_II 与SV_II_up 两型球鼻首的船体设计，二者的排水体积和湿表面积相近，而 SV_II_up 的球鼻首形心高度比 SV_II 的高。对于总阻力，SV_II 比原船降低2.135% 而 SV_II_up 比原船增大1. 719%。说明对于本优化目标船舶，球鼻首较低的形心高度对船体阻力较为有利。

3）对比加装 Waterdrop_I 与Waterdrop_II 两型球鼻首的船体设计，Waterdrop_I 的球鼻首长度为 1.671 m，Waterdrop_II 为 2.210 m ，其余参数基本一致。对比原船计算值，Waterdrop_I 剩余阻力降低1.677%，Waterdrop_II 降低8.641%。说明在一定范围内，球鼻首的长度越长，对船体的剩余阻力越有利。

4 物理模型试验验证

为了检验CFD数值计算的准确性与合理性，选取阻力性能优秀的Waterdrop_II球鼻首进行船模拖曳试验。试验船模缩尺比为11.0615，结果按照船模与实船相似律原理，采用二因次法将模型阻力换算至实船。实验结果见图4和表4。

船舶阻力各个成分的CFD数值计算结果与物理试验结果如表5所示，通过对比CFD数值计算结果与船模试验结果可以发现，剩余阻力的最大误差在9%左右，而摩擦阻力的误差在1%左右，总阻力的最大误差在6%左右。总体而言，船模试验结果比CFD数值计算结果略高，分析原因如下：

1）船模试验在船首部安装了激流丝近似模拟实船的湍流环境，但激流丝产生的湍流与实际情况有所偏差；

2）船舶试验采用二因次换算的方法，换算的结果会比实船的真实阻力值偏大；

3）由于数值计算所需硬件条件的限制，在保证准确性与快速性的前提，选取一套折中的数值计算网格，水动力网格的单元尺寸设置合理但未及精细。

尽管CFD数值计算存在一定的误差，但其精度水平可满足球鼻首设计与优化的要求，丰富了船型优化的手段。另外，对比图3与图4可表明CFD数值模拟能准确捕捉自由表面的特征，这对于通过绕流流场分析进行船型线性优化是一大促进。

5 结论

本文提出一套采用CFD方法进行球鼻首设计研究的方案：设计（图谱） → CFD数值计算优化 → 模型试验（阻力试验） → 微调整定型。

通过船模试验验证表明所设计的水滴型球首具有优良的减阻效果：数值计算的结果显示水滴型球首的减阻效果接近6%（5.970 %）；船模试验的结果显示水滴型球首的减阻效果超过3%（3.446%）。CFD方法可模拟高雷诺数下实船的绕流流场，准确预报实船的阻力性能，为球首型线优化提供参考。

参考文献

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