斧式艏船型的阻力和耐波性研究

朱月平　卢通

摘    要：本文依托粘流和势流理论对斧首船进行快速性和耐波性的数值模拟分析。首先依据粘流CFD软件对斧式首船快速性进行仿真，并与相同主尺度的普通船型进行对比，并在此基础上运用势流理论对斧式首船的耐波性进行评估，获得拥有良好水动力性能的高速船型。

关键词：斧首船;耐波性;快速性

中图分类号：U663.7                                文献标识码：A

Resistance and Seakeeping of Axe-bow Ship

ZHU Yueping LU Tong

（ 1. Jiangmen Hangtong Shipbuiding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.， Jiangmen 529145;

2. Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： In this paper， the rapidity and seakeeping performance of the axe-bow ship is simulated and analyzed. Firstly， based on viscous CFD software， the rapidity of the axe-bow ship is simulated， and compared with ordinary ship under the same main scale. On this basis， the potential flow theory is used to evaluate the seakeeping of the axe-bow ship and a high speed ship with good hydrodynamic performance is obtained.

Key words： Axe-bow ship; Seakeeping; Rapidity

1     前言

为了获得高航速下的优良水动力性能船型，众多学者对不同船型进行了广泛的研究，由传统的高速圆舭型船，逐渐过渡到高海况耐波性能更佳的深V船型。为了探索能够兼顾快速性和耐波性的优良船型，本世纪初一种新型的穿浪型船逐渐进入人们的视野。该船型首部极度锋利和尖锐，得名斧首船。本文基于對该船型的快速性和耐波性的关注，对其水动力性能进行仿真分析。

2     圆舭型船进行快速型和耐波性计算

在传统的船舶设计中，圆舭型船往往是设计者优先考虑的船型，其阻力性能良好、稳性较好、舱容大。

本文选用一艘55 m高速圆舭型船，采用CFD软件对其快速型和耐波性计算，并与模型试验结果进行对比验证。

2.1   快速性计算

该55 m高速圆舭型船的设计航速24 kn、排水量336 t。表1为该船的主尺度。

计算工况，如表2所示。

计算采用的湍流模型为RNG k-e 模型;数值计算域以船模纵舯剖面为对称面，计算域在长度方向上取6倍船长;在宽度和水深方向分别取3倍船长、3倍船长。模型的计算域网格划分，如图1所示。

表3给出了CFD数值计算结果，表中Rt为总阻力。图2为计算值与实验值的对比，从图2可以看出：在各航速的误差均较小，基本在10%以内，且计算值大于试验结果。其误差原因，主要是模型试验的尺度效应以及计算网格尺度;以及试验中存在水池壁面波浪反射的影响;此外，为了保证网格基数相同，边界层网格采用相同尺寸，因此也造成了部分数值误差。

图3给出了不同航速下船体周围自由液面波形分布情况。从图3可以看出：CFD数值模拟下，船舶自由面波形较好，随着航速的增大，波形展开非常明显;航速越大，首波峰处的波高越大，船尾及其后方的波形变化越复杂。

2.2   耐波性计算

该船的耐波性计算采用AQWA进行校核，并与试验结果进行对比验证。由于计算软件AQWA是基于边界元法进行仿真分析，并未考虑水的粘性影响，因此需要对各自由度进行阻尼修正。根据以往的经验，取临界阻尼的一部分作为粘性阻尼，可达到工程精度要求。临界阻尼Dcritical可按下式计算：

式中：I为惯性质量，kg;Ia为附加惯性质量，kg;K为对应自由度的刚度，N·m。

本研究中的粘性阻尼的计算结果，如表4所列。

本文选取的波浪参数与试验保持一致。表5为时域规则波计算参数，图4为计算结果与试验结果的对比。

从图4可以看出：计算结果总体上与试验结果接近，尤其是垂荡和纵摇幅值及趋势与实验结果基本相同，相对误差较小;横摇运动在固有频率附近的幅值相差较大。

本文主要关注点在纵摇和垂荡上，其误差结果均在可接受范围内。考虑到模拟结果大部分在实验值之上，在实际工程预报中更为安全，因此可以认为采用AQWA进行耐波性仿真计算相对可靠。

3    斧首船快速性及耐波性计算

尽管圆舭型船拥有诸多良好的性能，但在高航速和高海况下航行时，其水动力性能往往差于深V型船，深V型船在高航速段阻力性能优势明显;而斧首船是由深V型船发展而来，兼具其优良的耐波性，通过增加船舶的虚长度，可以提升兴波阻力性能。

因此，本文在深V型船基础上开发一型斧首船。基于maxsurf建立斧首船模型，并在ANSYS SCDM中导入相关软件计算。

该艇排水量及主尺度与上面计算的55 m圆舭型船保持一致，如表6所列。

3.1   快速性计算

由于斧首船在高航速时才能有效体现优良的快速性能。因此，本文仅对Fr大于0.4的航速区间进行对比分析。采用上面相同的方法进行建模和网格划分，如图5所示。

計算基于Star CCM+进行，计算结果如表7所列。

由表7及图6可知：单体斧首船相对于原母型船快速性有明显的优化，总体上快速性提高4.5%以上。在部分航速点超过10%。

与原母型船的兴波试验结果一致，随着航速的增加船兴波更加强烈，首部兴波高度更高，但斧首船的兴波相对更稳定。因此，在下一步阻力分析中可加装防溅条，在其尾部加压浪板，抑制兴波阻力。

3.2   耐波性计算

使用AQWA势流软件对斧首船的耐波性进行计算：

（1）频域RAO响应分析

计算海浪分23个方向、40个频率点（计算浪向按15° 间隔分析，计算频率由程序自动计算得到）。输入粘性阻尼，由计算得到静水回复刚度和附加质量。

考虑到数值模拟结果与试验值存在误差，因此斧首船计算结果仅与原船基于AQWA的计算结果进行对比：图7给出了在横浪90°、首斜浪135°、尾斜浪45°及迎浪0°状态的幅值响应算子RAO对比图。

（2）短期海况预报

采用JONSWAP谱作为不规则波浪的输入条件，谱峰提升因子γ取3.3与实验保持一致，波浪种子数为100，特征周期Ts和三一有义波高H1/3，具体参数如表8所列：

由于短期海况可以认为满足瑞利分布，船体的波频运动也为瑞利分布，有义值为标准差的2倍，可以用1.86乘以有义值得出近似最大值。本文重点计算斧式首船型首部的运动响应，对比首部升沉及首垂向加速度改善情况，在船首增加水动力性能的监测，并对其有义值进行评估;首部监测点取本船首垂线对应甲板位置。图8给出了斧首船与圆舭型船各海况下的有义值对比。

从图8可以看出：斧首船在各级海况下的耐波性，均优于圆舭型船。在纵摇、首部垂荡和首部垂向加速度的优化效果，均超过30%。尤其在高海况下，斧首船的首部垂荡和垂向加速度优化效果达到了50%。

4    总结

本文通过对一艘用于高海况作业的斧首船优化设计，对其水动力性能进行了全面评估，获得如下结论：

（1） 斧首船在Fr=0.4～0.8时，快速性具有明显的优势，根据计算结果，最大优化效果为16%，在设计航速下的优化效果为5%，总体优化效果在5%以上;

（2） 斧首船纵摇和横摇，在各浪向角下优化效果均超过10%;相较于圆舭型船，在各级海浪下横摇及纵摇优化效果超过30%，首部垂荡加速度和首部升沉超过50%。

从以上结论可以看出，斧首船首部线型增加了船长的虚拟长度，在相同线型下，斧首船阻力及耐波性改善明显。其中，阻力及横摇、纵摇运动的降低，能够在高速海上客运时给乘客良好的体验，降低晕船率;此外，其快速性和耐波性良好，对于高海况下海上救援等工程的应用也有明显帮助。斧首船首部优良的耐波性，能够增加海上风电运维登程作业的安全性，为海上运维作业提供有利支撑。

参考文献

[1] 张雷，张佳宁. 三种典型高速船静水航行性能对比[J] .大连海事大学学报，2013.

[2] 高霄鹏，武庆威，董祖舜. 斧首船阻力性能的模型实验研究[C].全国水动力，2018.

[3] 施军，曾青，武庆威，等.斧首船加附体改善耐波性的研究[J] .中国造船，2015，（003）：65-77.

[4] 魏松，曾青，高霄鹏，等. 斧首船阻力性能的模型实验研究[C].中国国际船艇展暨高性能船舶学术报告会.中国造船工程学会;中国船舶工业行业协会. 2011.

[5] 谢嫦娥， 何静， 秦江涛;垂直首船型阻力性能的数值与试验研究[J].中国水运，2015（8）.