基于CFD的金枪鱼延绳钓渔船球鼻艏形状研究

2015-01-03郑建丽杨高胜

船舶 2015年4期

李超郑建丽张怡杨高胜

（农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所上海200092）

引言

燃油成本在渔船捕捞中占有很高比重，开发性能优越的船型、提升船舶的快速性指标、节能减阻降耗已成为新型渔船设计领域必做的研究内容［1］。在现代船舶设计中，球鼻艏已广泛应用于各军用和民用船舶中，适当的球鼻艏可有效地减小兴波阻力，在渔船领域球鼻艏的应用也越来越广泛。球首的形状可以变化出很多种，常见的球鼻艏形式有撞角型、水滴型和S-V上翘型共三种，不同船型会选择不同形式的球鼻艏，而不同形式的球鼻艏对阻力性能的影响也各不相同［2-4］。采用传统的模型试验方法，国内学者对于渔船使用球鼻艏进行减阻研究已取得一定的成果［5-6］，但模型试验法存在耗费大、周期长且不可重复利用的缺点。近年来，随着计算机硬件不断升级，计算流体力学（CFD）也得到快速发展，CFD技术已成为船舶水动力性能研究的重要手段，并逐渐应用到渔船领域。本文以一条新设计的金枪鱼延绳钓渔船为研究对象，设计三种不同形式的球鼻艏。通过CFD方法分别对其船体阻力性能进行数值模拟，并通过比较得出一种适用于该型金枪鱼延绳钓渔船具有较好减阻效果的球鼻艏形式。

1 CFD控制方程

船模在静水中以速度V作匀速直线运动，模拟过程中假定船模静止，远方来流以相对船模的-V速度匀速流动，且流体为不可压缩。本文采用Flow-3D软件进行数值模拟，用VOF法追踪自由液面，采用N-S方程建立三维RNGk-ε数学模型，控制方程如下［7］：

连续性方程：

动量方程：

湍动能k方程：

湍流耗散率ε方程：

式中：u、v、w是在x、y、z三个方向上的速度分量；Ax、Ay、Az表示x、y、z三个方向的面积分数；Gx、Gy、Gz为x、y、z三个方向的重力加速度；fx、fy、fz是三个方向的粘滞力；VF是可流动的体积分数；ρ是流体密度；p是作用在流体微元上的压力；k为湍动能；ε为湍流耗散率；μ为动力粘性系数；；Gk为湍动能k的产生项，分别为湍动能和湍流耗散率所对应的普朗特数，均为1.39；是经验常数，分别为 1.42、1.68。

2 数值模拟及验证

2.1 计算域选取及网格划分

本文计算模型取自一艘新设计的49.5 m金枪鱼延绳钓渔船，船体主尺度见表1，首先为该船设计了撞角型球鼻艏（如图1所示），数值模型根据拖曳水池船模大小建立，缩尺比为1∶12，计算区域取船首和船侧1倍船长、尾部4倍船长、底部以下1倍船长。由于船体结构的对称性，为节约计算时间本文取船体半宽进行模拟，模型和计算域如图1和图2所示。

表1 船体主尺度

图1 船体计算模型

图2 计算域网格

网格划分是数值模拟计算最关键的一步，Flow-3D通过有限差分法和其自带的FAVOR技术相结合的方法进行网格划分，与传统的有限差分法相比，Flow-3D的网格更贴近于实际模型，其网格划分以结构化网格为基础，裁剪出一部分网格来表示光滑的曲面，FAVOR技术利用简单的矩形划分来比拟复杂的几何体，容易生成网格且计算精度高，处理网格时操作也比较简单。为获得更加精确的模拟效果，将整个计算域划分为三个网格区域，在船体周围由内向外、由密到疏，保证网格有良好的过渡性（见图2）。由于该船首尾处曲率过度较大且形状较为复杂，容易产生较大兴波，在网格划分时要作适当加密处理，加密网格如图3和图4所示。