加装尾压浪板单体复合船型运动预报研究
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第32卷第10期 哈尔滨工程大学学报 V0I.32 No.10 2011年1O月 Journal of Harbin Engineering University 0ct.2011 doi:10.3969/j.issn.1006—7043.2011.10.001 加装尾压浪板单体复合船型运动预报研究 孙树政 ,赵晓东 ,李积德 ,缪泉明 (1.哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001;2.中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082) 摘要:为改善单体复合船型静水阻力性能,在传统单体复合船型基础上在尾部加装尾压浪板,可以改善其静水阻力性 能,同时其耐波性能也得到提升.对加装尾压浪板的单体复合船型开展纵向运动预报研究,先后采用切片法进行理论预 报,分别用二维RANS方法和三维RANS方法计算船体剖面及尾压浪板水动力系数,RANS方法计算组合附体和尾压浪 板的升力系数.通过与模型试验结果比较表明,采用的预报方法可以用于加装尾压浪板单体复合船型纵向运动预报. 关键词:单体复合船型;尾压浪板;运动预报;切片法 中图分类号:U661.32文献标识码:A文章编号:1006-7043(2011)10—1267-06 Research on motion prediction of a hybrid monohull with a stern flap SUN Shuzheng ,ZHAO Xiaodong ,LI Jide ,MIAO Quanming (1.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.China Ship Scientific Research Cen— ter,Wuxi 214082,China) Abstract:In this paper,the stem flap was fixed on the stem of a traditional hybrid monohull for better resistance performance.The purpose of the stern flap was to improve the ship resistance performance while also improving the seakeeping performance.The longitudinal motion of a hybrid monohull fitted with a stern flap was predicted. The stirp method was used,and the Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS)method was applied for hydrody- namic calculation of the sections and stern flaps.The comparison between the calculation results and model test re・ suits indicate that the method presented in this paper is suitable ofr longitudinal motion prediction of a hybrid mono— hull with stem flaps. Keywords:hybrid monohull;stem flap;motion prediction;strip method 单体复合船型在450吨级圆舭型艇和600吨级 时由于尾压浪板在有航速时产生的粘性阻尼和动升 深V型艇上成功应用,大幅提升原艇耐波性,峰值 力阻尼使其对船体耐波性也有一定贡献 J. 处纵摇减小可达50%~60%,同时其静水阻力性能 本文对加装尾压浪板千吨级单体复合船型开展 与原艇相当,高速时甚至减阻 J.在单体复合船型 纵向运动预报研究.为考虑粘性影响,采用三维 向千吨级推广过程中,虽然其耐波性能得到大幅提 RANS方法计算尾压浪板水动力,将计算结果作为 升,但随着组合附体尺寸及排水量的增加导致船体 水动力修正加入尾封板,得到修正后的船艉水动力 摩擦阻力增大,因此大型单体复合船型静水阻力较 系数.对艏部加装组合附体部分采用二维RANS方 同吨级圆舭原船型略有增加,静水阻力性能成为单 法计算船体剖面水动力,得到组合附体粘性阻尼修 体复合船型向更大吨位船型推广应用的关键技术. 正系数.采用RANS方法计算无界流中尾压浪板和 在船体尾部加装尾压浪板可以通过增加船体虚长 组合附体动升力,计算动升力阻尼修正系数.将上述 度、改变航行姿态、改变尾部兴波达到提高船体快速 水动力修正项加入船体纵向运动方程求解,得到加 性的目的 引.在千吨级单体复合船型尾部加装尾 装尾压浪板单体复合船型纵向运动响应. 压浪板可以使复合船型静水阻力性能得到改善,同 1 船型介绍 收稿日期:2010-07-17. 基金项目:国防科学技术工业委员会基础研究基金资助项目 (51414030204CB0101). 本文的研究对象是一千吨级单体深V复合船 作者简介:孙树政(1982一),男,讲师,博士后,E—mail:sunshuzheng@ 型,主船体采用深V型,船艏底部加装减纵摇组合 hrbel1.edu.cn. 通信作者:孙树政. 附体,其横剖面示意图如图1所示,组合附体示意图 如图2所示,船型及组合附体主要参数如表1所示. 哈尔滨工程大学学报 第32卷 在船体尾部加装尾压浪板,其示意图如图3所示,尾 从模型试验结果可见,加装尾压浪板复合船型 咏 龇 较未加装尾压浪板复合船型平均减阻2%左右,可 压浪板最大宽度为1 m,与水平面夹角为4。.上述主 船体、组合附体及尾板均为优选结果,优选过程详见 文献[4]. m 图1 复合船型横剖面示意图 Sketch map for sections of hybrid monohull 表1船型及组合附体参数 Parameters for ships and built-up appendage 图2组合附体示意图 Fig.2 Sketch map of built・up appendage [==二二==[二二二卫1 ooo 图3尾压浪板方案图 Fig.3 Figure of stern flaps 2模型静水阻力试验结果 对加装尾压浪板单体深V复合船型开展静水 阻力性能研究,在哈尔滨工程大学船模拖曳水池分 别对加装尾压浪板单体深V复合船型与未加装尾 压浪板单体深V复合船型进行水池模型静水阻力 试验,模型缩尺比为l:25,尾压浪板最大宽度 40 mm,厚度1 mm,模型试验结果见表2. 表2模型静水阻力试验结果表 Table 2 Model test results of resistance in calm water 实船航 模型速 模型静水阻力/N 速/kn度/m・S 未加装尾压浪板 加装尾压浪板 见,通过加装尾压浪板改善了复合船型的静水阻力 性能. 3 运动方程及水动力计算 3.1运动方程修正 本文采用切片法进行船体纵向运动预报,并对 运动方程进行粘性修正 .采用RANS方法计算加 装组合附体部分船体剖面及尾压浪板水动力系数, 以计算船体水动力粘性修正;采用RANS方法计算 无界流中组合附体和尾压浪板动升力,以计算组合 附体和尾压浪板动升力修正.修正后的运动方程如 下: ( +A33+A品)z+(B33+B未+ 3) +c33 + (A35+ ) +(B35+B + 5) +(G5+C/35) = (F3一Fr)e ( +A55+A矗) +(B55+B + 5) +(c55+c,5)0+(A53+A品)三+(B53+ 曰品+ 3)z+c53z=(F5一 ,)e . (1) 式中:带角标“ ”者为水动力粘性修正系数,带角 标‘ ”的项为组合附体和尾压浪板动升力修正项. 3.2船体剖面水动力修正 0 10 20 3O 40 5O 60 t/s 图4 =2 rad/s时0.5站的垂荡力计算结果 Fig.4 Swaying force result of section 0.5 when∞=2 rad/s 对粘性效应明显的加装组合附体部分船体剖面 本文采用文献[8]中介绍的方法,即二维RANS方 法计算其水动力系数,其余部分船体剖面采用源汇 分布法计算 .本文计算了千吨级单体深V复合 船型艏部剖面作垂向微幅简谐振荡的水动力系数, 计算频率区间为1.0—2.5 rad/s,采用有限体积法 对流域进行离散,流域分为水和空气两部分,自由表 面用VOF方法处理,采用PISO算法,湍流模型为 RNG.k— 模型,并应用动网格技术.图4为0.5站剖 面在圆频率为2 rad/s时的垂荡力计算结果.通过对 该非定常力的拟合分解得到各剖面的附加质量A,, 和阻尼系数“ 其中: 第10期 pgBA—F。sin 0o —— 一孙树政,等:加装尾压浪板单体复合船型运动预报研究 F。COS 0。 ,一一— ’ ・1269・ 、^ ’ ,'、 , 式中: 为横剖面水线宽, 为升沉幅值,F。为垂荡 力幅值,6}n为初相位. 3.3尾压浪板水动力计算 本文采用三维RANS方法计算了千吨级复合船 型尾压浪板作垂向微幅简谐振荡的非定常力.计算 模型采用有限体积法对流体域进行离散,流体域取 10倍板长×10倍板宽×10倍板宽;划分网格时,尾 压浪板上网格密度为O.1 m,采用混合网格,流域分 为水和空气两部分,自由液面用VOF方法处理,采 用PISO算法,湍流模型为RNG—K一 模型,并采用 动网格技术.图5为tO=2 rad/s时尾压浪板垂荡力 计算结果,通过对该非定常力的拟合分解得到各剖 面的附加质量A,,和阻尼系数“ 其中: 、 F。sin F。COS 00 … ^ = ’ =一— 一’ j 图6为尾压浪板附加质量及阻尼系数.将尾压 浪板附加质量与阻尼系数作为水动力修正加入尾封 板,如此得到修正后的船艉水动力系数如图7所示. 0 5 10 l5 20 25 30 t|§ 图5 =2 rad/s时尾压浪板垂荡力计算结果 Fig.5 Swaying force result of the stern flap when ∞=2 rad/s (a)附加质量 (b)阻尼系数 图6尾压浪板水动力系数 Fig.6 Hydrodynamic coefifcients of stern flap ∞/rad.s (a)附加质量 ∞/rad-s (b)阻尼系数 图7船艉水动力系数 Fig.7 Hydrodynamic coefficients of stern 3.4动升力修正 组合附体及尾压浪板动升力可以用下式表示: = V2SCLa. (6) 式中:Js为投影面积,G 为升力系数对攻角的导数. 求出组合附体的c:就可以得到组合附体动升力修 正系数 。。. 本文采用RANS方法计算了无界流中千吨级复 合船型组合附体和尾压浪板的升力系数,图8为组 ・1270・ 哈尔滨工程大学学报 第32卷 合附体和尾压浪板升力系数曲线 a/(。) (a)组合附体升力系数 a/(。) (b)尾压浪板升力系数 图8组合附体与尾压浪板升力系数 Fig.8 Lifting coefifcient of stern flap and built・up appendage 经计算组合附体动升力修正系数为1.779,尾 压浪板动升力修正系数为2.39. 4运动预报结果 将上述修正量代入船体纵向运动方程求解得到 加装组合附体和尾压浪板的千吨级单体深V复合 船型纵向运动响应,图9、10为Fr=0.323,0.43,对 应实船航速18、24 kn的升沉、纵摇、艏部加速度响 应曲线,结果已无因次化. {L (a)升沉运动响应 越 (b)纵摇运动响应 、皇9 |L (C)首部加速度响应 图9 18 kn运动响应预报结果(Fr=O.323) Fig.9 Motion prediction results at 18kn(Fr=0.323) (a)升沉运动响应 2/L (b)纵摇运动响应 第10期 孙树政,等:加装尾压浪板单体复合船型运动预报研究 ・l271・ 、垒9 |L (c)艏部加速度响应 图1O 24 kn运动响应预报结果(F,=0.43) Fig.10 Motion prediction results at 24 kn(Fr=0.43】 从18 kn和2}4 kn运动预报结果可见,加装尾压浪 板后单体深V复合船型耐波}生得到进一步提高.下面给 出两个皖透下模型试验结果,图ll、l2分别为18 kn和 24 kn加装尾压浪板与未加装尾压浪板单体深V复合船 型升沉、纵摇及首部垂向加速度响应水池模型试验结果. 下面根据理论预报和模型试验的运动响应函数 外推到不规则波运动有义值,不规则波浪谱采用IT— Tc单参数谱,取5级海况,有义波高取为3.25 m, 单幅有义值预报结果如表3所示.表4为理论预报 结果与模型试验结果尾压浪板的减摇效果比较. L (a)升沉运动响应 |L (b)纵摇运动响应 、皇9 (c)艏部加速度响应 图1l 18 kn运动响应模型试验结果(F,=0.323) Fig.11 Model test resluts at 18kn(F,=0.323) 1・2 1・0 0.8 0.6 0.4 O・2 0 4 |L (a)升沉运动响应 1.2 1.0 0.8 k O.6 0.4 0.2 O 4 |L (b)纵摇运动响应 、皇9 fL (c)艏部加速度响应 图12 24 kn运动响应模型试验结果(Fr=0.43) Fig.12 Model test resluts at 24 kn(F =0.43) ・1272・ 哈尔滨工程大学学报 第32卷 表3不规则波运动有义值预报结果 Table 3 Prediction results of the signiifcant motion amplitude in irregular waves 表4理论预报与模型试验的减摇效果表 Table 4 Table for stabilizing efifciency of prediction and testing 从表4结果可以看出,加装尾压浪板后的单体 深V复合船型耐波性得到进一步提高,理论预报减 摇效果与模型试验减摇效果较接近.可见,本文采用 的方法能够反映尾压浪板对复合船型耐波性的贡 献. 5 结 论 通过本文对加装尾压浪板千吨级单体深V复 合船型的水池模型试验及耐波性理论计算研究可以 得到以下结论: 1)加装尾压浪板改善了单体深V复合船型的 静水阻力性能,平均减阻2%左右; 2)本文采用的运动预报方法通过考虑粘性效 应的RANS方法计算组合附体和尾压浪板的粘性修 正系数和动升力修正系数,能够体现出尾压浪板对 耐波眭的贡献,与模型试验结果较接近,可以用于加 装尾压浪板单体复合船型纵向运动理论预报; 3)本文采用的计算尾压浪板升力系数的方法 是在无界流中进行的,没有考虑船体航行过程中尾 流场自由液面的影响,且没有考虑主船体、组合附 体、尾板的相互干扰,这些工作还需要今后继续开展 深入研究. 参考文献: [1]蔡新功,李积德,王建方,等.中高速船加装减纵摇组合 附体模型试验[J].中国造船,2003,44(3):50—57. 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