船舶前缘引流减阻及流场特性数值模拟

陈克强，王家楣，魏 玮

（武汉理工大学 交通学院，武汉 430063）

1 引 言

减阻技术的种类有很多，主要有柔顺壁面减阻、聚合物减阻、微气泡减阻，还有沟槽、凹坑和凸环减阻等等。多数减阻技术主要通过改变湍流边界层结构，减小湍动能耗损来达到减阻目的。而对于减小形状阻力，主要是通过优化物体外形或添加某些附体以实现减阻。少数研究者尝试通过实验研究对其进行新的探索。Izutsu[1]沿实心圆柱体轴向开通了一条细缝以及Yajima和Sano[2]将一个空心圆柱体沿轴向开了两列小孔，实验研究显示有较明显的减阻效果。北京航空航天大学谭广琨、王晋军和李秋胜[3]针对一空心圆柱体，在柱体壁上均匀分布地开通了四条轴向细缝，利用氢气泡显示技术观测空心圆柱体在开有不同数目的细缝以及不同的攻角情况下的流态，对此类空心圆柱体的减阻机理进行初步探讨。其实验结果显示:在一定攻角下，细缝可降低圆柱体的阻力。

本文针对某中低速船型，在前缘（球艏处）开口引流，出口至尾封板下方，通道进口至出口光滑过渡。不计自由面影响，采用有限体积法和SIMPLEC算法，湍流模型为SST k-ω两方程模型，耦合求解Navier-Stokes方程和连续性方程，数值计算无引流的原型和有引流船模数值计算绕流流场，对比性分析其减阻效果和船舶周围流场特性。

2 物理模型及数值方法

2.1 物理模型

所计算的物理模型是一肥大双尾带球鼻艏船型，其船体的主要参数分别为:设计水线长L=78 m，设计水线处半宽B=15.6 m，吃水T=4 m，横剖线图见图1。

由于只讨论船舶正浮且无偏航、不计自由面情况下的阻力问题，为节省内存仅对半个船体采用1:15.5的比例建模。计算域是长度为5倍船长，半径为1倍船长的圆柱域（详见图2）。坐标原点位于船体中纵剖面与水面交线的中点处，X轴指向船尾，Z轴铅直向上；采用分块混合网格，船体壁面局部加密。计算的雷诺数（特征长度为船长）为5.134×106。

图1 船体横剖面型线图Fig.1 The body lines of craft

图2 计算域Fig.2 Computational domain

图3为引流通道的示意图，引流入口在球鼻艏处的高压区域，出口位于尾封板的下方，出口截面为矩形，见图3（c）。引流入口与出口的面积相等，为船体最大横截面积的11.87%，占船体表面湿面积的0.45%。引流进口与出口之间为光滑过渡的通道。图3（b）是引流入口的局部放大图（X轴正向视图）。图3（c）是引流出口处的局部放大图（X轴负向视图）。

图3 船体前缘引流视图（T为船舶吃水）Fig.3 The view of craft’s leading edge holes(T represents draft)

2.2 数值方法

（1）控制方程

式中:不计重力，Fi=0，为由平均速度梯度引起的湍动能产生项，为ω的产生项；Γk和Γω分别表示k和ω的有效扩散系数；Yk和Yω分别表示由湍流引起的耗散项；Dω为正交扩散项；Sk和Sω为源项，取为零。

（2）边界条件

① 进口边界条件，采用速度入口即u=u∞=1.413 m/s，v=w=0；

③壁面满足速度无滑移条件:u=v=w=0；

其中:u，v，w分别指速度矢量沿X，Y，Z方向的分量。

（3）数值方法

采用有限体积法求解控制方程，选用SST k-ω湍流模型，湍动能方程和湍流耗散比率均采用二阶迎风格式求解，速度和压力耦合采用SIMPLEC算法。

3 数值结果及分析

3.1 阻力系数对比性分析

针对上述同一条船模，数值计算无引流和有引流两种情况下的阻力见表1，其中按第八届ITTC推荐的平板摩擦阻力系数公式计算，即=0.075（ lgRe-2）-2=3.381*10-3。表 1 中:CD0、Cf0和 CR0分别表示原型船模的形状阻力系数、总摩擦阻力系数和总粘性阻力系数的计算值。表示船模总粘性阻力系数的试验值，由总阻力系数试验值减掉波形测量所得的兴波阻力系数得出。CD、Cf和CR分别表示船模前缘引流后的形状阻力系数、总摩擦阻力系数和粘性阻力系数的计算值。此处所有阻力系数都采用原型船模面积计算而得。形状阻力系数减幅MD=（CD1-CD0）/CD0，总摩擦阻力系数减幅Mf=（Cf1-Cf0）/Cf0，总粘性阻力系数减幅MR=（CR1-CR0）/CR0。

表1 船体引流前后阻力系数值及减幅（阻力系数值均×10-3）Tab.1 The value and reduction of craft’s resistance coefficient(resistance coefficient all multiplied by 10-3)

计算结果显示:船体前缘引流后，船体形状阻力系数明显减小（23.102%），总阻力系数减小2%以上。表中显示总摩擦阻力系数有所增加，这是因为计入了引流通道内湿面积的总摩擦阻力。

3.2 船体壁面压力系数与切应力分布对比性分析

数值计算给出船体壁面压力系数分布以及切应力分布见图4。图中Cp表示压力系数，τ0表示切应力系数。图4（a）和4（b）表明:船艏处（无引流）的压力系数接近1；而引流后，船艏处的压力系数降至0.1，部分区域的压力系数更小。表明前缘引流明显降低了船艏高压处的压力。图4（c）和4（d）显示:有引流时船尾压力系数分布较无引流情况下有明显变化，总体上有引流时艏尾压差减小。

图4（e）和4（f）表明:有引流时船体壁面上的切应力略有降低，这是因为引流后，船体壁面外部势流速度略有增加，改变了船体壁面边界层厚度。

图4 船体壁面上压力系数分布及切应力分布Fig.4 The distribution of pressure coefficient and wall shear stress on craft’s wall

4 结 论

由上述结果可以得出如下结论:

①前缘引流明显降低了船艏高压处的压力，且有引流时船尾压力系数分布较无引流情况下有明显变化，总体上有引流时艏尾压差减小。

②有引流时船体壁面上的切应力略有降低。

③在船艏引流、船尾出流和船底无断阶的情况下，合理选择船尾出流位置，可明显减小船模形状阻力系数（23.102%），总粘性阻力系数可减小2.193%。

[1]Izutsu N.Fluid force measurements for a circular cylinder with a slit[J].Nagare,1993,12:293-301.

[2]Yajima Y,Sano O.A note on the drag reduction of a circular cylinder due to double rows of hole[J].Fluid Dynamics Research,1996,18:237-243.

[3]谭广琨,王晋军,李秋胜.圆柱体减阻技术及其机理初步研究[J].北京航空航天大学学报,2001(06):658-661.

[4]王家楣,张志宏,马乾初.流体力学[M].大连:大连海事大学出版社,2002.

[5]秦江涛.低速肥大船型粘性流数值模拟[D].武汉:武汉理工大学,2007.