20 000 DWT江海直达散货船迎流喷水减阻数值模拟研究*

杨 超 熊鳌魁

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

20 000 DWT江海直达散货船迎流喷水减阻数值模拟研究*

杨 超 熊鳌魁

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

将迎流喷水减阻的方式引入散货船中，以20 000 DWT江海直达散货船作为研究对象，通过三维数值仿真软件FLUENT对其在首部迎流喷水进行数值模拟，研究不同的喷口面积、喷口位置以及不同的喷水速度对于船舶减阻效率及船舶性能的影响，并寻求最佳的迎流喷水减阻方案，推动该项技术的发展.

20 000 DWT江海直达散货船；迎流喷水减阻；数值模拟

0 引 言

船舶作为运输业中最大的运载体，每年的CO2排放量也占了很大的比重，据2008年英国《卫报》报道，全球航运每年排放约11.2亿t CO2，约占全球CO2排放量的4.5%.针对航运业CO2过度排放问题，文献[1]中提出了一系列公约.

在航运业中，最有效、最直接的实现节能减排的途径就是减少船舶的阻力.之前只是通过改善船体的线型来减小船舶的形状阻力，这种方式的减阻效果并不明显，并且线型的改善工作量较大，比较繁琐.现在有一些新型的船舶减阻方式，日本等国家在大型中低速运输船型上利用气层减阻，取得了一些突破[2-4]；Walsh等[5]将条纹沟槽减阻技术应用到喷气式飞机模型上，得到了6%的减阻效果，该技术被引入到船舶行业，也取得了一定的进展；低壁面剪力涂层减阻，通过改变物体表面的表面性能，如疏水性或疏油性，减弱物体壁面与流体介质间的亲和性，直接减小壁面上的流体切变应力，从而达到减阻的目的[6]；还有柔顺壁面减阻、高分子聚合物添加剂减阻、壁面振动减阻及前缘引流减阻，等等.

谢多夫[7]曾提出在被扰流物体前端迎流喷出射流可以产生推力，并通过推理和分析证实了这一猜想.刘一慧[8]将这一理论运用到水下航行器中，使用David Taylor研究中心与美国国防预研规划署(NSWCCD)共同发布的一种规范潜艇模型SUBOFF作为计算模型，在缩尺比为1∶24的条件下，利用FLUENT对其在首部迎流喷水进行了数值模拟，研究不同的喷口面积与喷水速度对潜艇的减阻性能的影响，计算结果显示，潜艇在来流为5.144 m/s，喷水口面积为13.83×10-3m2，喷水速度为3 m/s时，减阻效率最佳，可达60%.

文中以谢多夫理论为指导，以20 000 DWT江海直达散货船为载体，利用FLUENT软件对其在首部迎流喷水进行数值计算，研究不同喷水面积以及不同的喷水速度对船体的减阻效果的影响规律，并推动该减阻技术的发展，逐步将其应用到实际生活中.

1 三维模型建立及网格划分

1.1 船体主尺度

实船为20 000 DWT江海直达散货船，船体的主要尺度与型线图由长江船舶设计院提供，本文中的计算模型是按缩尺比1∶31.98的缩小模型，实船主要尺度与缩小模型的主要尺度见表1.

表1 20 000 DWT散货船实船和模型主尺度 m

1.2 计算域选取及网格划分

由于研究的船体具有对称性，故本文中的计算模型均只取船模的一半进行研究.在船体首部划分3个喷水喷口，由上至下分别称为喷口1、喷口2和喷口3，喷口尺寸均为垂直宽度4 mm，垂直高度45 mm.计算域的选取按照以下规定：来流入口端距船首1倍船长，来流出口端距船尾5倍船长，横向距离船舷1倍船长，垂向距离船底1倍船长.

根据流场对于船舶性能的影响规律可知，距离船舶越远的流场对船舶性能影响越小，所以文中将计算流域进行划分，选取船体附近包含边界层在内的流域称为近壁流域，其他流域称为远场流域，近壁流域采用四面体非结构化网格，最大网格尺寸为50 mm，对于首尾部曲度变化较大的位置的网格，采取加密处理，最大网格尺寸为30 mm；远场流域采用六面体结构化网格，为了控制网格数量[9].文中将远场流域分成了3层进行逐层控制，由内向外分别称为远场流域I、远场流域 II和远场流域 III，网格密度由内向外逐渐稀疏，最大网格尺寸分别为40，60和80 mm，各流域网格尺寸与网格数量见表2，流域整体网格图见图1，喷口网格局部放大图见图2.

表2 各流域网格尺寸与网格数量表

图1 流域整体网格图

图2 喷口网格局部放大图

由图1可知，网格由内向外逐渐变得稀疏，这样有利于控制网格数量与网格质量，从而提高数值计算的速度.由图2可知，在喷口处横向至少有2～3层网格，并且在船体附近的边界层也有4～5层网格，查看边界层中第一层网格间距，由y+可知，绝大多数处于20～50之间，满足网格质量要求.

2 数值模拟计算

2.1 湍流模型及离散格式选择

文中湍流模型选择k-εRNG湍流模型，壁面条件选择增强壁面条件，压力与速度的耦合使用SIMPLE算法；控制方程使用基于单元中心的有限体积法(VOF)离散,其中动量采用二阶迎风差分格式，湍流度与湍流耗散率采用一阶迎风格式.

2.2 边界条件设置

2) 出口边界 设置为压力出口.

3) 船体表面 设置为无滑移的固壁.

4) 喷口 在喷水时设置为速度入口，不喷水时设置为固壁.

5) 顶部上边界 设置为对称面，文中采用的是叠模的思想，不考虑自由液面的影响，故可设置为对称面.

6) 底部下边界 设置为对称面，考虑到水深足够深，对流场影响不大.

7) 侧边界 设置为对称面，距船体足够远，对流场影响不大.

8) 中纵剖面 设置为对称面，船体具有对称性，本文中取一半船体进行研究.

3 计算结果及对比分析

3.1 裸船定常稳态流场数值模拟及结果分析

利用FLUENT对裸船定常稳态流场进行数值模拟.将所有喷口设置为固壁wall，在速度为1m/s的来流的作用下，对船体流场进行数值模拟.计算得出船体压差阻力为1.177N，摩擦阻力为4.888N.式(1)～(2)为实船-船模换算公式.

(1)

(2)

式中：ρ为水的密度，取1 000 kg/m3；s为湿面积，取2.869 m2；Cf为摩擦阻力系数.得到估算的摩擦阻力为4.873 N，数值计算得出的摩擦阻力与经验公式得到的摩擦阻力相差0.31%，说明了数值模拟计算的可靠性，下文中关于减阻率的计算均将以该结果作为参考进行对比.

3.2 最佳喷口面积与喷口位置选择

根据喷口的排列组合，可以得到6种不同的工况:喷口1单独喷水记作工况1；喷口2单独喷水记作工况2；喷口3单独喷水记作工况3；喷口1与喷口2同时喷水记作工况4；喷口2与喷口3同时喷水记作工况5；喷口1、喷口2与喷口3同时喷水记作工况6.利用FLUENT分别对以上6种工况进行数值计算，来流速度仍然为1 m/s，喷口喷水的速度暂定为1 m/s来进行研究，各工况的计算结果见表3.

表3 来流速度与喷水速度均为1 m/s时，6种工况的数值模拟结果

1) 表3中的压差阻力与摩擦阻力是通过数值计算得到的，表中各物理量的具体含义与计算公式如下：①压差阻力Rp0为船体表面压力沿船身积分所得；②反冲力RC为喷口喷出的流体对船体的冲量，RC=ρvi2si，vi为喷水速度，si为喷口面积；③喷口处压力Ri为喷口处静压值沿喷口面积积分所得；④计算压差阻力Rp为计入喷口处压力以及喷射出的流体对船体影响后的压差阻力，Rp=Rp0+RC+Ri；⑤摩擦阻力Rf为船体表面切向应力沿船身积分所得；⑥总阻力Rt为船体受到的阻力总和，Rt=Rp+Rf；⑦减阻率μ为迎流喷水情况下船体总阻力与裸船总阻力的相对减少值；⑧单位面积减阻率为减阻率与喷水口面积的比值；⑨计算压差减阻率为迎流喷水情况下船体计算压差阻力与裸船计算压差阻力的相对减少值；⑩摩擦减阻率为迎流喷水情况下船体摩擦阻力与裸船摩擦阻力的相对减少值.

作出各工况下总减阻率的柱状图、各工况下单位面积减阻率的柱状图、各工况下计算压差减阻率的柱状图、各工况下摩擦减阻率的柱状图，见图3.

图3 6种工况下的各项减阻率

由图3可知，工况4与工况6在各项减阻率中都是占优的，故最佳的喷水工况应该从这2个工况中选取.工况4的总减阻率与单位面积减阻率均高于工况6，说明工况4的整体减阻效率要高于工况6；工况4的压差减阻率高于工况6，工况6的摩擦减阻率高于工况4，工况6的摩擦减阻率较好主要归因于其湿面积要小于工况4.为了更加清楚的解释工况4与工况6哪个减阻效果更好，文中从船体表面的压力分布图着手进行分析，中纵剖面处的船体表面压力分布图见图4.

图4 中纵剖面处船体表面压力分布图

由图4可知，在喷水后首部的压力有明显的降低，证明首部迎流喷水是可以降低压差阻力的，这也与计算结果符合；另外船体中后部压力曲线几乎重合，说明首部迎流喷水并不影响船体中后部的压力分布；对于工况4与工况6的压力分布曲线，两条曲线相互交叉，工况6的压力在0.1 m之前要小于工况4，在0.1～0.4 m的范围内，工况6的压力有所增加高于工况4，甚至高于不喷水时对应位置的压力，总体而言工况4首部总压力要低于工况6.鉴于本课题迎流喷水研究的物理意义是降低船体的压差阻力，综上原因，选取工况4为最佳喷水工况更具有研究价值.

3.3 喷水速度对减阻效率的影响规律

本节在最佳的喷水面积和喷水位置的基础上继续研究喷水速度对于船体减阻效率的影响规律.固定喷口1与喷口2喷水，喷水的速度为0.6，0.8，1.0，1.2与1.4 m/s这5个不同的速度，来流速度仍然为1 m/s，各速度下的减阻率曲线、节能率曲线、单位面积减阻率曲线、计算压差减阻率曲线及摩擦减阻率曲线见图5.

图5 喷水速度变化时各项减阻率及节能率

首先观察总减阻率曲线与单位面积减阻率曲线，两者图线趋势相似，随着喷水速度的增加，减阻率逐渐增加，但喷水速度增加到一定值时，减阻率趋于平缓，减阻效果不再增加，喷水速度为1，1.2，1.4 m/s时，减阻效果要好；从能量方面考虑，见节能率曲线图，速度在1 m/s之前节能率变化很小，随着速度的增加，船体的总功率增加，节能率逐渐减小，在速度达到1.4 m/s时节能率甚至达到了负值，所以从节能环保方面考虑0.6，0.8，1 m/s的喷水速度更佳；迎流喷水主要研究的物理量为计算压差阻力，计算压差减阻率随喷水速度呈单峰曲线变化，并于1 m/s时处于压差减阻率曲线的峰值.

从流场内部船体表面压力分布来进行分析，分别作出水平剖面z=0.19 m(处于喷水口2范围中)、水平剖面z=0.24 m(处于喷水口1范围中)与船体的交线，作出以上2处位置在不同速度下的压力分布曲线，2处压力分布图见图6.

图6 剖面处船体在各速度下压力分布图

从整体上观察图6～7，在喷水后首部的压力有明显的降低但是船体中后部压力分布几乎没有变化；随着喷水速度的增加，船体首部的压力逐渐减小，说明增加喷水速度可以有效的降低压差阻力；但是可以看出在船长为0.2～0.6 m的范围内，速度为1.2 m/s与1.4 m/s时的压力有所增加，削弱了减小压差阻力的效果，说明了并非喷口喷水速度越大越好.综上所述，当喷水速度为1 m/s时，减阻效果最好并且也满足节能环保的要求，故该速度为最佳的喷水速度.

图7 首部速度矢量图

最后分析摩擦减阻率，由图5可知，随着喷水速度的增加，摩擦减阻率逐渐增加，影响摩擦阻力的主要因素湿水面积并没有发生变化，只有可能是随着速度的增加，内部的流场发生了变化，为此选取喷水速度为1.4 m/s，高度z为0.2 m时的水平剖面，并将首部速度矢量图通过局部放大来进行分析，见图7.在喷口位置附近产生了涡，由此可以猜测摩擦阻力减小的原因可能是随着速度的增大，涡的范围增大，导致首部边界层脱离船体，从而导致摩擦阻力有小幅的降低.

4 结 论

1) 首部迎流喷水可以降低首部压力，从而降低压差阻力，但是首部迎流喷水对于船体中后部的压力分布影响较小.

2) 在喷口面积与喷口位置相同的情况下，在一定范围内，喷水的速度越大，减阻的效果越好；喷水速度超过该范围后，继续增大喷水速度，减阻率趋于平缓.

3) 在喷口面积与喷口位置相同时，在一定范围内，喷水速度增大，节能率变化很小；当喷水速度超过该范围后，节能率急剧下降，继续增大喷水速度，会增加能源的消耗，导致节能率为负值.

4) 在喷口面积与喷口位置相同的情况下，随着喷水速度的增加，计算压差减阻率先增加后减小，存在一个最佳的计算压差减阻率峰值点.

5) 在喷口面积与喷口位置相同的情况下，随着喷水速度的增加，摩擦减阻率有小幅的增长，推测的原因是喷水速度增大导致首部产生涡，在涡的作用下使得边界层脱离船体，从而导致摩擦阻力有小幅降低.

文中的目的是探讨实际船型应用迎流喷水新减阻技术的可行性，因此没有考虑自由水面的存在，而船舶在实际的航行中会受到自由水面的影响，在考虑自由水面后，对迎流喷水新减阻技术会产生怎样的影响还需要进一步的探索和研究.

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[7]谢多夫．连续介质力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[8]刘一慧.水下航行体迎流喷水气数值模拟研究[D].武汉：武汉理工大学，2015.

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Numerical Simulation of Jetting Water Against the Flow in a 20 000 DWT River-sea Bulk Carrier for Resistance Reduction

YANG Chao XIONG Aokui

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

In this paper, the method of reducing resistance by jetting water against the flow is applied in bulk carriers. 20 000 DWT river-sea bulk carrier is taken as the study object and FLUENT is used to do numerical simulation. The influences of different nozzle area, nozzle position and jetting-water velocity on the efficiency of resistance reduction and the performance of the ship are analyzed to look for the best method of reducing resistance by jetting water against the flow, thus promoting development of the technology.

20 000 DWT river-sea bulk carrier; resistance reduction by jetting water against the flow; numerical simulation

2016-11-21

*国家科技支撑计划项目资助(2014BAG04B01)

U661.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.025

杨超(1992—)：男，硕士生，主要研究领域为流体力学