一种高速双体船的阻力快速预报方法

杜庆森 李文强

摘    要：本文针对高速双体船的阻力预报，利用MAXSURF商业软件，以一型高速穿浪双体船为例，对比了基于Noblesse新细长体理论方法和CFD方法的预报精度。根据对比结果，基于Noblesse新细长体理论方法在高航速段的阻力预报具有良好的精度，相比于CFD等方法，可大大提升高速双体船阻力预报效率，具有一定的工程应用价值。

关键词：高速双体船;阻力预报;CFD;新细长体理论

中图分类号：U661.32                              文献标识码：A

Abstract： For the prediction of resistance of a high-speed catamaran， by using MAXSURF software and taking a type of high-speed wave piercing catamaran as an example， the prediction accuracy of the new slender-body theory method and CFD method is compared. According to the comparison results， the resistance prediction of the new slender-body theory method has good accuracy in the high-speed period， compared with CFD method， the calculation module can greatly improve the resistance prediction efficiency of a high-speed catamaran， and has certain engineering application value.

Key words： High-speed catamaran; Resistance prediction; CFD; New slender-body theory

1     前言

在船舶设计过程中，目前普遍应用的阻力预报方法是理论计算及CFD方法。

理论计算方法，是利用流体力学理论，通过建立船舶理论数学模型，将船型参数代入后进行数值计算，得到船舶的总阻力。该方法由于简化了计算模型，整个求解过程相对简单，但误差也相应偏大。

CFD是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的简称。CFD方法是利用计算机和离散化的数值模拟方法对流体力学问题进行模拟分析。它通过计算机求解控制流体流动的数学方程，对粘性或非粘性流体的运动进行数值模拟计算，部分CFD方法的数值模拟计算的结果，可以达到模型试验的精度，但计算过程耗时较长。这两种阻力预报方法各有优缺点，为保证预报精度，船舶设计阶段一般采用精度相对较高的CFD方法進行船舶阻力预报。

双体船型相比于常规单体船，具有甲板面积大、稳性好以及高速阻力性能优良的特点，近几十年来相继发展了包括穿浪双体船、小水线面双体船、半水线面双体船等多种高性能船型。

本文提出了一种基于新细长体理论的双体船阻力计算预报方法，可快速准确地预报双体船阻力性能，并通过模型试验验证，达到了工程应用的要求，为双体船阻力预报提供一种简洁有效的方法。

2     新细长体船理论

高速双体船阻力包括粘性阻力和兴波阻力。本文对高速双体船的兴波阻力预报，采用的是基于改进的Noblesse新细长体理论;粘性阻力中的摩擦阻力系数Cf采用ITTC-57公式计算;粘性阻力系数采用“1+k”法。

Noblesse新细长体船理论，是假设：（1）流体理想、船舶在无限深广水域中以恒速航行;（2）单个片体产生的波不会影响另一个片体的兴波特性;（3）单个片体不反射另一个片体产生的船行波等。

根据以上假设，可得双体船总阻力为：

通过计算结果与试验值的对比（见图2），发现在较大的付氏数（Fn=0.2～0.7）范围内，Wigley船型的兴波阻力计算值与试验值吻合较好，这说明采用Noblesse新细长体理论方法进行高速双体船阻力预报是具备可行性的。

3    计算实例

穿浪双体船是上世纪八十年代在小水线面双体船（SWATH）的基础上发展起来的一种高性能船型。它保留了SWATH船型的低阻力、甲板面积大等优点，融合了深V船型优良的耐波性能，并改善了SWATH片体储备浮力和片体空间小等缺陷，在军事及民用领域应用广泛。

本文对某穿浪双体船在设计状态下的航行阻力，分别采用CFD方法和基于Noblesse新细长体理论方法进行预报分析，并将计算结果与阻力模型试验结果对比，以评估两种估算方法的预报精度差异。

3.1   采用CFD计算方法

在CFD计算方法中，为最大程度的减小由于数值计算模型而造成的计算误差，采用合适的三维船体模型网格划分是十分必要的。

本文的网格划分采用ICEM商业软件。由于穿浪双体船两个片体水下部分对于中纵剖面对称，故以单个片体为研究对象，通过多次对比分析了计算域沿片体各个方向尺寸的大小对计算结果的影响，确定了计算流域空间如下：

（1）长度方向—船体模型由船首向前延伸1.5倍船长、向船尾延伸3倍船长;

（2）垂向方向—船体模型底部向下延伸12个吃水;

（3）横向方向—船体模型沿两片体外侧向船宽方向各延伸5个片体度。

计算域网格采用结构和非结构型的混合网格形式（见图4）。

在设置合适的边界条件后，采用计算流体力学软件Fluent进行CFD计算。选取k-ω湍流模型，通过求解粘性流体时均化的N—S控制方程和连续方程，采用有限体积法，并基于SIMPLE算法对流场进行数值计算，求得最终结果。

3.2   采用Noblesse新细长体理论方法

本文采用MAXSURF软件中的Resistance模块。将船体模型导入Resistance模块后，选择细长体理论作为分析方法，通过设定网格区域划分范围及数量，自动生成片体网格模型。图5所示为该船片体模型及水下部分形成的四边形网格，尾部之后的网格为虚拟附体网格。

3.3   计算结果对比

将上述两种方法的预报结果与模型试验结果对比，如图6及表1所示。

综上分析，认为基于Noblesse新细长体理论的方法，在部分航速段下的高速双体船兴波阻力预报具有良好的精度，具备工程应用条件。

4     结论与展望

本文针对高速双体船阻力的预报，利用MAXSURF商业软件，以某穿浪双体船为例，对比了基于Noblesse新细长体理论方法和CFD方法的阻力预报精度。对比结果表明：基于Noblesse新细长体理论方法在高航速段（Fn>0.5）的阻力预报具有良好的精度，同时由于在MAXSURF商业软件集成了新细长体理论计算模块，整个预报可在五分钟内得到多个航速段下的阻力结果，相比CFD等方法可大大提高阻力预报效率，具有一定的工程应用价值。

由于本文选取的验证样本较少，后续将进一步针对Noblesse新细长体理论方法在不同高速双体船船型阻力预报情况进行验证研究。

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