基于CFD的污底位置对船舶阻力的影响分析

基于CFD的污底位置对船舶阻力的影响分析

王明辰，宋倩，丁笑笑，王晓天

摘

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1，2

（1．威海海洋职业学院船舶工程系，山东威海2315；2．哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

要：污底现象广泛存在于船舶航行过程中，船舶污底的附着会使船舶阻力增加、推进效率下降，燃油消耗增加，

影响船舶的性能。为深入研究污底对船舶阻力性能的影响，本文以附着污底的散货船为研究对象，基于CFD方法，分析污底的不同分布形式对船舶阻力性能的影响。建立船体三维模型，通过数值模拟计算结果与实船使用数据结果对比，验证CFD技术在船舶阻力性能预报中的可靠性。

关键词：污底；分布形式；阻力；CFD中图分类号：U675一、概述

船舶在航行的过程中，随着航行时间和距离的增长，会出现船舶阻力增加，航速降低的现象，产生这种现象的一个重要原因是船舶污底的出现和增长。国内已有关于污底的研究主要集中在十年代，国内外学者对污底现象已有研究。1992年刘靖业在考虑平均污底和平均海况下提出设计螺旋桨的新方法[1]。2006年吴艳茹、许献岐分析了船舶污底产生的原因及其对主机、航速的影响[2]。2008年陈爱国、叶家玮分析了污底对船舶阻力和推进性能的影响[3]。前者的研究是定性分析，没有从方法和数量上对污底进行研究。

真实污底的增长与船舶航行的季节和海域有关，不同季节和海域贝类和海藻的种类和生长速度不同。总体来说真实污底受海域的温度、盐度、海水深度的影响比较大，一般热带海域、盐度偏大的海域污底的增长较快。真实污底的增长受多重因素的影响，增加了研究污底的难度。数值模拟理论经过长时间的研究和发展，现在已经比较成熟，CFD方法在船舶行业已被广泛认可。为了能够深入的研究污底对船舶阻力的影响，本文将带有污底的船体模型进行简化，采用数值模拟方法，找到研究船舶污底的新方法，用以计算污底对船舶阻力性能的影响。

[4]

文献标识码：A文章编号：1006-7973（2017）06-0017-03

由于船舶污底是存在于水中的，所以船舶污底主要影响的是水阻力，对空气阻力（主要与风力大小、上层建筑在风向的投影面积有关）没有影响。在水阻力中，汹涛阻力即船舶在波浪中的阻力增值，主要受波浪的要素影响，即波浪的波浪高、周期和波长；船舶的附体阻力主要是与舭龙骨等构件有关，因此这两种阻力成分不受污底的影响。

船舶的裸船体阻力有不同的方法对其划分。总体来说，可以将船体的阻力可以分为摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力。船舶污底对摩擦阻力的影响较大。在实际的航行过程中，船舶周围的海水是有粘性的，所以海水会形成一层边界层附着在船体表面，而边界层的形成导致船体表面存在剪切力，这种剪切力形成了船舶的摩擦阻力。船舶表面的粗糙程度将影响边界层的存在状态，进而改变了摩擦阻力[5]。船体上不同海洋生物的附着增加了船体表面的高度，根据1957年ITTC公式，船长＜400m的摩擦阻力补贴系数按（1）计算。

1

3kCf105s0.103

L

（1）

式中：L-船长，由于粗糙度表观高度KS的增加，船体的普遍粗糙度随之增加，同时也增加了船体表面积，根据摩擦阻力Rf计算公式（2）可知，摩擦阻力会随之增加。

RfCfCf1v2s

2二、污底对船舶各阻力的影响分析1．理论分析

（2）

除摩擦阻力外，污底的产生还会对粘压阻力产生影响。粘压阻力的大小主要与船尾的形状有关，所以船舶的型线对于粘压阻力来说有着很大的影响。尾部越是尖瘦，就越不容易发生边界层的分离，粘压阻力就越小[6]。而尾部型线越是肥大，就越容易产生漩涡，粘压阻力也就越大。由于船舶污底的产生，改变了船体的型线，使得船体无论是在哪一个投影面上都变的更加肥大，而这种变化会使船尾的漩涡增加，导致粘压阻力有所增加。污底附着在船体表面的最大特点就是分布的不均匀，水流经过船体表面容易形成漩涡，也会在一定程度上增加粘性阻力。另外，污底的产生还改变了首部

图1船舶阻力分类

收稿日期：2017-04-01

作者简介：王明辰，威海海洋职业学院船舶工程系。

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中国水运第17卷

的型线，使得破波阻力也有所增加。

2．实船阻力测量

本文选用的模型是一艘3.5万t散货船，其主尺度如下：总长280m，型宽48m，设计吃水13.5m，航速26km/h。对本船进行实船粗糙度阻力测量（航行10个月后）如表1所示。

表1实船粗糙度阻力测量结果

航速（km/h）2224262830项目光滑度Cf0.001490.001390.001300.001180.00107粗糙度补贴系数ΔCf0.000650.000620.000600.000590.00057摩擦阻力增量56.36%52.87%50.00%46.55%43.19%总阻力增量

28.97%

25.29%

23.56%

21.47%

20.19%

三、模型建立及网格划分1．模型建立

根据实船数据，利用沪东软件建立船体模型、光顺船体型线，完成型值细化，最后在通用CFD软件里生成船体曲面，散货船最终实体模型效果如图2所示。

图2实船模型

为探讨污底附着的不同位置对船舶阻力的影响，本文建立四个模型进行对比。模型一为实船原模。模型二为在原船模的基础上向船侧和船底均匀加污底，即船底的污底和船侧几乎为相同厚度为20mm，同时，污底在船舯相对较厚，而在船的艏艉两端比较薄。模型三为原船模的基础上着重向船侧加污底，污底厚度与所在位置的横向（船宽方向）坐标成正相关，即船底的污底比较薄为20mm，船侧的污底比较厚30mm，同时，污底在船舯相对较厚，而在船的艏艉两端比较薄。模型四为着重向船底添加污底，污底的厚度与所在位置的垂向（吃水方向）坐标成正相关，即船底的污底比较厚为30mm，船侧的污底比较薄为20mm，同时，污底在船舯相对较厚，而在船的艏艉两端比较薄。

2．网格划分情况

网格的质量直接关系到计算结果的精确度，为得到质量较高且数量适宜的网格，本文采用混合网格的划分方法。由于船体表面形状比较不规则，所以将整个计算域分为两部分：內域即靠近船体的部分采用四面体网格；外域比较规则采用六面体网格，增加网格质量，减少网格数量。经过反复验证，

本文在计算时采用96万网格能够保证计算精度，网格划分情况如图3所示。

图3船模计算域网格划分情况

四、数值计算方法及结果分析1．数值模拟方法的选取

考虑到船体是左右对称的，且船体周围的流动具有对称性，同时为了减少计算时间采用船模的一半进行计算。边界条件设置为入口边界为速度入口water-inlet，出口边界设为outlet，船体表面边界设置为不可滑移的壁面条件，对称面设为symmetry。湍流模型选用SSTk模型，流场计算方法选择SIMPLE算法对流场问题进行求解。

2．计算结果分析

为缩短计算时间，将船模缩小100倍进行数值模拟。对模型一、模型二、模型三和模型四用同样的数值模拟方法进行计算，将计算得到四组模型的船体总阻力增值汇总如表1所示。

图4模型CFD计算结果与实船数据对比

从图4的数据对比结果中可以看出：（1）模型二的数值更加接近实船测量的阻力增值，说明模型二的建模方法更加接近实际污底的分布形式。（2）总阻力的增量随着航速的增加有减小的趋势，主要因为本文采用的散货船属于中低速船，摩擦阻力占总阻力的份额较大，随着航速的增加，摩擦阻力占总阻力的比重逐渐减小[7]。

为进一步分析污底分布位置对船舶阻力影响的原因，利用本文的数值模拟方法，分别计算四组模型在设计航速26km/h时船体各阻力的变化情况，计算结果如表2所示。

表2四组模型的各阻力计算结果

船体阻力模型一模型二模型三模型四压阻力（N）137.180149.174143.091137.847粘性阻力（N）139.733193.672197.235202.4总阻力（N）

276.913

342.846340.326336.0相对原型阻力增值

23.81%

22.90%

21.37%

第6期王明辰等：基于CFD的污底位置对船舶阻力的影响分析19

从迭代计算结果中可以看出，相比于第一组不考虑污底影响的船模来说，第二、三、四组的船模所受到的总的阻力有所增加，增幅分别为23.81%、22.90%和31.37%，而这还是在不考虑船桨配合的情况下所得到的阻力增额，可见在此工况下，有无污底对于船舶阻力的影响还是比较大的。

对比船模所受到的在船长方向上的压力可以看出，船体侧面污底较厚的第二组船模在压阻力方面的增幅要大于船体底部污底较厚的第三、四组船模，其原因主要是污底对兴波阻力的影响不同。第二组船模在水线面上的型线，尤其是船首，由于污底产生而发生的变化要远大于第三、四组船模，所以兴起波浪的程度要更大，耗散了更多的能量，产生了更多的阻力。

对比船模所受到的在船长方向上的粘性阻力可以看出，船体侧面污底较厚的第二组船模在粘性力方面的增幅要小于船体底部污底较厚的第三、四组船模，其原因主要在于粘性阻力的不同，而双方的湿表面积基本一致，故摩擦阻力基本相等，所以主要差别在粘压阻力方面。污底的产生改变了船体的曲率，尤其是船尾，使得边界层更易发生分离，形成更多漩涡，增大了粘压阻力。

究船舶污底模型的建模方法，为以后船舶污底的研究提供一定的参考。

（2）从数值模拟的结果来看，污底对于船舶阻力的影响是不可忽略的。由于污底在船舶侧面尤其是水面附近的增加着重影响船体的兴波阻力，位于舷侧的污底要比位于船底的污底对船舶阻力性能的影响大。

参考文献

[1]刘靖业.在平均污底及平均海况状态下效率最佳的螺旋桨

的设计方法[J].船舶工程，1992，（6）：16-21.

[2]吴艳茹，许献岐.船舶污底与处理措施[J].河北交通科技，

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[3]陈爱国，叶家玮.船舶表面状况对船舶性能的影响及其应

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华中科技大学，2008.

[7]周广利.三体船型阻力预报、优化与系列试验分析研究[D].

哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

五、总结

（1）通过与船舶实际数据对比，验证了本文所采用的数值模拟方法在计算船舶污底方面是比较可靠的，同时提出研

（上接第16页）

四、结论

本文利用MSC.Nastran软件对5300TEU集装箱船上层建筑PM61C总段进行吊装强度有限元分析，并计算分析了吊耳强度，主要得出以下结论：

（1）PM61C总段在吊装过程中的最大应力为.46MPa，最大变形为0.86mm。计算表明，总段吊装引起的应力水平低，变形量较小，结构强度满足规范要求；

（2）通过在吊点处施加载荷，分析吊耳在吊装过程中的强度。吊耳结构最大应力为65.3MPa，最大变形为0.96mm，满足结构强度要求。

（a）应力云图

参考文献

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有限元分析[J].船舶标准化工程师，2016，（2）：15-18.[4]罗勇，吴伟华，蒋磊等.某型VLCC上层建筑吊装强度有

（b）变形云图

图10

PM61C总段吊耳应力及变形云图

限元分析[J].江苏船舶，2012，29（4）：19-20.

[5]中国船级社.集装箱船结构强度直接计算指南[M].北京：人

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