33.2 m远洋双甲板拖网渔船阻力特性分析

李 纳，梁建生

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

目前，中国过洋性渔船多为近海渔船改造而成，能耗高、效益差，在公海捕捞作业中竞争力明显落后。为了增强远洋渔业的国际竞争力，提高利用公海渔业资源的能力，急需强化远洋渔业科研力量，研究远洋渔船节能降耗标准化船型及配套装备关键技术。围绕中国远洋渔船船型落后的问题，开展远洋渔船船型优化，开发性能优良、节能降耗的新型渔船已势在必行，渔船阻力优化也成为热门课题。

目前，船舶阻力性能的研究有3种方法：理论方法、数值模拟方法和试验方法。国内外许多学者和专家进行了深入研究：如通过建立各种数学理论模型，对船舶阻力进行回归分析，推导出简易、有效的回归方程[1-4]；利用FLUENT、Flow-3D等计算流体软件对船舶及海洋结构物的阻力计算进行数值仿真模拟，并通过船模试验对计算结果进行对比分析[5-10]；将CFD仿真模拟技术应用到渔船设计领域，可有效提高渔船及渔机装备的设计研发能力[11-15]。

本研究对33.2 m远洋双甲板拖网渔船船型进行基于Oosterveld海船的剩余阻力回归分析及CFD渔船船型阻力的特性分析，并在船模拖曳水池进行比较试验。在理论分析设计选定优秀基本船型基础上，通过CFD模拟分析和船模试验验证对船舶进行型线优化及阻力特性曲线预报，建立渔船船型优化方案。

1 船型阻力分析

1.1 阻力分析原理

船体总阻力Rt可以分为兴波阻力Rw、摩擦阻力Rf和粘压阻力Rpv，其关系表达式[16]为：

Rt=Rw+Rf+Rpv

(1)

兴波阻力Rw和粘压阻力Rpv合并在一起，称为剩余阻力。

实船阻力计算采用二因次换算方法，将阻力分为摩擦阻力和剩余阻力两部分，摩擦阻力按平板试验所得的经验公式计算，剩余阻力则服从相似定律。换算的具体步骤如下：

1)计算摩擦阻力Rf。摩擦阻力系数采用1957年第8届ITTC公式[17]：

(2)

2)计算剩余阻力Rr。由总阻力中减去摩擦阻力，得出剩余阻力Rr：

Rr=Rt-Rf

(3)

应用相似定律，根据船模的剩余阻力换算出实船在相当速度下的剩余阻力Rr。

(4)

式中：Ds、Dm分别表示实船及船模的排水量(t)；Rrm表示船模剩余阻力。

3)计算相当速度下的实船摩擦阻力Rf。加上实船剩余阻力以及粗糙度补贴，得出实船在相当速度下的总阻力Rt。

Rt=Rf+Rr

(5)

阻力也可以系数的形式表示如下：

Ct=Cf+Cr+ΔCf

(6)

式中：ΔCf表示粗糙度补贴系数,取ΔCf=0.4×10-3;Ct表示总阻力系数；Cr表示剩余阻力系数。

1.2 阻力回归数学模型分析

利用构建的基于荷兰水池欧斯特怀尔德(Oosterveld)海船剩余阻力回归多项式的小型渔船阻力特性分析数学模型对33.2 m远洋双甲板拖网渔船进行剩余阻力特性理论分析。对93种小型海船模型的970个阻力试验数据资料进行统计回归分析，得到剩余阻力回归公式，统计误差平均值7.3%，其精度优于泰勒法及其他一些估算法。表达式为：

Rr/Δ=C1f1+C2f2+C3f3+C4f4

(7)

式中：参数Ci的计算公式为Ci=∑ki,j{LCB、CP、L/B、Ie、B/d、CM} ；Rr是剩余阻力；f1、f2、f3、f4是阻力系数；LCB是浮心纵向位置；CP是棱形系数；L/B是长宽比；Ie是半进水角；B/d是宽度吃水比；CM是舯剖面系数；Δ表示排水量。

摩擦阻力按ITTC标准计算：

(8)

式中：ρ—水的密度，kg/m3；S—船体湿表面积，m2；V—船速，m/s。

33.2 m远洋双甲板拖网渔船主尺度要素为：水线长(LWL)为30.5 m；垂线间长(LPP)为28 m；型宽(B)为9 m；型深(D)为5.7 m；吃水(d)为3.5 m；湿表面积(S)为353 m2；排水量(Δ)为590.39 t；设计航速(V)为10.2 kn。33.2 m远洋双甲板拖网渔船阻力特性分析结果见表1。

表1 拖网渔船阻力特性分析结果

1.3 CFD阻力特性分析

采用Flow-3D计算仿真软件，使用VOF方法，结合RNG k-ε模型[18]，通过求解Navier-Stokes方程，对33.2 m双甲板拖网渔船裸船体直航运动时的定常绕流的流场特性进行数值模拟和阻力计算。

1.3.1 数值计算方法

1)控制方程[19]。连续性方程：

(9)

动量方程：

(10)

2)湍流模型。湍动能k方程：

(11)

湍流耗散率ε方程：

(12)

3)边界条件。根据对流场模拟计算的需要，并参考相关文献及其经验，采用的控制域为一长方体。按如下方案设置计算控制域的范围和船模在控制域中位置。

进流边界条件：船艏前1倍船长处，采用速度进口边界条件。出流边界条件：后端在船艉4倍船长处，采用压力出口边界条件。物面边界条件：渔船外表面，设定无滑移条件。模型周向条件：下边界在离龙骨2倍船长处，侧面边界在离船纵舯剖面2倍船长处，速度为未受扰动的主流区速度。

1.3.2 数值计算模型及计算工况

1)计算模型。用于数值计算的模型尺度相对于实船尺度按缩尺比λ=1∶10的比例选取。

2)数值计算工况。流体参数：温度20 ℃，密度998.2 kg/m3，动力粘度0.001 003 kg/ms。计算航速：对船模以6种速度直航的阻力和粘性流场进行数值模拟，相应的船模速度和实船速度见表2。

表2 实船及模型运动速度

1.3.3 船体几何建模及网格划分

1)船体几何建模。根据船模型线，采用Flow-3D软件进行船体几何建模和网格划分[20-22](图1和图2)。计算区域在船首和船侧1倍船长，在船后4倍船长，底部以下2倍船长。

图1 模型侧视图

图2 计算域示意图

图3 网格划分示意图

2)模型网格划分。在CFD研究中，网格划分作为人为因素影响最大的部分，是至关重要的一步，应该根据实际的CFD问题确定网格划分的方式和方法。

FLOW-3D具有自动网格生成技术，由于船艏艉形状复杂，附近速度梯度较大，应该进行局部网格加密。船体附近区域是计算研究的重要区域，网格的疏密好坏直接影响计算结果。这里采用局部网格加密的方法，在计算机计算能力范围内细化网格，提高计算精度。划分网格如图3所示。

3)计算结果分析。通过对渔船黏性绕流场进行数值模拟，得到船舶的阻力、自由液面高度、船体周围压力分布以及船体周围速度等流场信息。模型阻力计算结果及实船阻力换算：计算得到不同航速下对应船模的阻力，并使用二因次换算法将计算得到的阻力转换为实船阻力[23-24]，模型阻力仿真结果及实船阻力见表3。

4)船体周围压力云图和速度云图。CFD仿真过程中船体周围压力分布以及船体周围速度等流场信息如图4和图5所示。

表3 模型阻力计算结果及实船阻力换算表

图4 速度为0.6 m/s、1.3 m/s 和1.9 m/s时的船体周围压力云图

图5 速度为0.6 m/s、1.3 m/s 和1.9 m/s时的船体周围速度云图

基于CFD三维船体数值模拟考察不同航速下自由液面、船底压力分布以及船体周围波高、速度情况，这些信息生动形象地再现了船舶绕流场的细节，通过对这些流场信息的观察和分析，数值计算结果表明该设计渔船阻力变化趋势合理，阻力性能良好。

1.4 船模阻力试验分析

船模试验是研究船舶阻力最普遍的方法。根据试验要求并考虑深水拖曳水池的试验能力、试验模型的安装和快速性模型试验技术，确定模型的缩尺比为1∶10，表4为33.2 m双甲板拖网渔船实船与模型的主尺度与船型参数。船模阻力试验包括3个工况：设计吃水状态、轻载吃水Ⅰ状态、轻载吃水Ⅱ状态。设计吃水状态实船阻力与有效功率预报结果见表5。

表4 33.2 m双甲板拖网渔船实船与模型船型参数

表5 实船预报结果

2 应用分析

将阻力回归公式的计算结果、CFD模拟计算结果与船模试验结果绘制成曲线进行比较，其阻力性能曲线如图6所示。

从图6中可以看出：

1)阻力曲线表明阻力回归分析的结果与船模试验结果变化趋势比较接近，误差绝对值在20%以内，在9.0 ～11.0 kn船机桨匹配计算区段误差在10%以内。因此，利用渔船阻力特性分析数学模型可以进行优秀母型船筛选，提高设计效率，并可以对渔船进行初步的低阻力线型优化。

2)阻力曲线表明，CFD模拟结果与船模试验结果的变化趋势更接近，两者偏差的平均值为11.1%，在9～11.0 kn船机桨匹配计算区段误差在10%以内，说明CFD阻力计算与模型试验阻力基本吻合，CFD方法具有较好的精确性和实用性，可以对渔船进行进一步的型线优化。

图6 阻力数值模拟与试验比较

3)初步确定船型主尺度和船型系数后，通过船型降阻节能优化对船型主尺度和船型系数进行最优分析，完成最终详细设计。实船捕捞生产验证该船型设计合理，适航性、快速性、操纵性和安全性等综合性能相比同类船型优点明显，节能20%以上，捕捞产量提高两成，经济效益可观。

3 结论

综合利用阻力数学模型，CFD仿真模拟和船模试验对33.2 m远洋双甲板拖网渔船船型阻力性能进行了分析研究，建立了渔船船型优化方案及其理论分析方法。开发的远洋双甲板拖网渔船示范应用效果反响良好，经济和社会效益明显，充分体现了现代渔船的技术水平，达到了“安全、经济、节能、环保、适居”的目标要求。

□