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上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 178-184 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.04

基于重叠网格方法的中型邮轮减摇鳍数值和试验分析

姚汝林1,2, 樊奇东2, 余龙,1,2, 汪学锋1,2

1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240

2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240

Numerical and Testing Analysis of Fin Stabilizers of A Medium Sized Cruise Ship with Overset Grids

YAO Rulin1,2, FAN Qidong2, YU Long,1,2, WANG Xuefeng1,2

1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

2. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

通讯作者: 余 龙,副教授,电话(Tel.): 021-34206707; E-mail:yulone@sjtu.edu.cn.

收稿日期: 2022-07-7   修回日期: 2022-07-25   接受日期: 2022-08-22  

Received: 2022-07-7   Revised: 2022-07-25   Accepted: 2022-08-22  

作者简介 About authors

姚汝林(1975-),博士生,主要从事船舶与海洋工程先进制造研究.

摘要

减摇鳍是解决船舶横摇的有效办法之一,可提升邮轮的舒适性.该装置一般由一对或两对可伸缩的鳍组成,对称地安装在船舶的两侧舭部,通过控制算法依靠鳍的水动力升力提供运动阻尼.然而,不同航速和不同攻角下减摇鳍与船舶的耦合分析还较少,尤其是船体流场对鳍阻力的影响尚缺乏研究.利用模型试验和数值分析方法研究某邮轮的阻力性能和鳍的运动影响,比较数值和模型试验结果,对减摇鳍引起的阻力和船鳍耦合运动进行研究,为减摇鳍的设计和选择、邮轮设计和性能预报提供了参考.

关键词： 减摇鳍; 模型试验; 邮轮; 不同攻角; 不同航速

Abstract

Fin stabilizers represent an effective solution to address the roll motion of ships and improve the comfort of passengers on cruise ships. These devices typically comprise of one or two pairs of retractable fins, symmetrically mounted on either side of the ship, which utilize hydrodynamic lift to dampen motion through a control algorithm. However, coupling analysis of fin stabilizers and ships at various speeds and angles of attack remains limited, particularly with regard to the impact of the hull flow field on fin resistance. This paper investigates the drag performance and towing motion of a cruise ship using model tests and numerical analysis methods, and compares the results of the numerical and model tests. It also examines the drag resulting from fin stabilizers and the coupling motion of the ship, offering insight for the design and selection of fin stabilizers, cruise ship design, and performance prediction.

Keywords： fin stabilizer; model test; resistance; cruise ship; different fin angles; different ship speed

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本文引用格式

姚汝林, 樊奇东, 余龙, 汪学锋. 基于重叠网格方法的中型邮轮减摇鳍数值和试验分析[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 178-184 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.04

YAO Rulin, FAN Qidong, YU Long, WANG Xuefeng. Numerical and Testing Analysis of Fin Stabilizers of A Medium Sized Cruise Ship with Overset Grids[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2023, 57(S1): 178-184 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.04

减摇鳍是解决船舶横摇的有效办法之一,可提升乘客的舒适感.该装置一般由一对或两对可伸缩的鳍组成,对称地安装在船舶的两侧舭部,利用控制算法依靠鳍的水动力升力提供运动阻尼,削减船舶横摇.许多学者对减摇装置进行了研究,比如减摇水舱、移动重量、减摇陀螺以及舭龙骨,可以在较低航速时平衡船舶.然而,应用这些技术的难点在于船舶的尺寸、功率和成本[1].典型的减摇鳍结构如图1所示.一套减摇鳍通常有一对分布在两舷的鳍片,由液压单元和本地控制单元(LCU)驱动,由一个驾驶台控制单元(BCP)、一个主控制单元(MCU)和一个横摇传感器单元(RMSU)构成.关于鳍的选择与其他减摇装置的比较参见文献[2].

图1

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图1   可收放减摇鳍装置

Fig.1   Retractable fin device


Gaillarde[2]和Ram等[3]针对多种不同的带减摇鳍船型进行了模型和数值模拟试验,研究减摇鳍升阻力性能.但是在不同角度、不同速度下鳍片的升力和阻力特性研究还较为欠缺.Perez等[4]的研究表明,有效攻角应被限制以避免出现动态失速.有学者对一艘鳍翼型为NACA0013的水翼巡逻艇进行数值分析,发现在0°、5°、10° 和20° 攻角,船速为25~30 kn(1 kn=1 852 m/h)时,鳍的攻角增加引起阻力增大.攻角15° 时,船体阻力增加总量可达13.92%~18.79%[5].

Kim等[6]对安装减摇鳍的邮轮在遭遇波浪条件下的运动进行了数值分析.当船速为23 kn(中等速度)时,减摇鳍控制系统将横摇振幅降低了90.1%.当船速为7 kn(低速)时,横摇振幅降低了52.3%.

为进一步研究船鳍耦合,以一艘中型邮轮为对象,使用重叠网格计算模拟方法对不同攻角下带减摇鳍的邮轮总阻力进行分析,并通过模型试验对计算流体动力学(CFD)结果进行验证.同时也研究了在静水中船鳍耦合作用以及带减摇鳍船舶的升沉和横摇运动,为计算带减摇鳍船舶的设计提供参考.

1 带减摇鳍邮轮船型介绍

以一艘中型邮轮为研究对象,该船1∶55的模型主要参数如表1所示.

表1   船模型主要参数

Tab.1  Main parameters of the ship model

参数数值
垂线间长,LPP/m3.725
型宽,B/m0.564
吃水,T/m0.117
排水量,Δ/t0.174
湿表面积,Sw/m22.362
重心,LCG/m1.611
重心,KG/m0.287
鳍切片翼型NACA0021
鳍弦长,C/m0.06
长宽比2.05
鳍长,LF/m0.124

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三维模型如图2所示,船中带有一对减摇鳍,鳍安装在水线之下,通过沿自身轴的旋转实现不同角度.

图2

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图2   带有一对减摇鳍的船舶模型

Fig.2   Ship model with a pair of fin stabilizers


在使用过程中,船两侧的鳍片并不总是对称地旋转.当横摇达到最大程度时,两侧的鳍会发生不对称旋转,以便获得更大抗摇力矩;比如,左舷的鳍向上旋转(顺时针旋转),而右舷的鳍则向下旋转(逆时针旋转),可旋转幅度为±20°,如图3所示.

图3

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图3   鳍片的不同的旋转方向

Fig.3   Fins with different rotation directions


2 数值方法

由于带减摇鳍邮轮航行时强非线性与黏性的影响,为了获得高精度的模拟,应用雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)求解器和重叠网格进行数值分析.

2.1 控制方程

采用通用CFD软件STAR-CCM+开展带减摇鳍邮轮的黏性流动模拟,使用有限体积法方法捕捉自由液面[7].RANS方法被证实在船舶的阻力计算中拥有较高精准度[8-9].

连续性和动量守恒方程如下[10]:

　　　　∂-ui∂xi=0
(1)
∂(ρ-ui)∂t+∂∂xj(ρ-uj-ui)=　　-∂-p∂xi+Fi+∂∂xj(σji+Rji)
(2)

式中:-ui、-uj分别为雷诺平均速度分量;xi、xj分别为位置分量;ρ为流体密度;t为时间;3-p为压力;Fi为混合函数;σji为应力分量Rji=-ρ¯u'ju'i为雷诺应力项或湍流应力项;在雷诺平均方程中,这个未知量使方程不封闭.为了使方程封闭,加入SST K-Omega湍流模型[11].

2.2 重叠网格技术

重叠网格又称Overset,是将模型中流动区域划分成几何边界比较简单的子区域形成网格,然后嵌套进背景网格中.计算通过在重叠网格区域相互的插值,使得子区域的网格在重叠边界进行数据交换,从而完成整个流场的求解.

使用重叠网格技术能在特定位置进行局部加密,使物体不受与网格之间的拓扑结构上的约束,能够让物体在计算域内自由运动.减摇鳍作为附体被船舶安装后,会对船体的受力和运动产生一定影响.利用重叠网格处理这种耦合流场问题下的船舶阻力和运动,在过往研究中已经被证明能够获得较好结果[12-13].

3 计算域及网格划分

计算针对带鳍船,建立两套网格.第一套为背景网格,尺寸为4.5LPP×4.5LPP×3LPP,网格数量为340×104,背景网格的入口、底部和顶部的边界条件设置为速度入口,出口设置为压力出口.第二套为船体带鳍附近网格,尺寸为1.2LPP×1.2B×1.2D,D为船的型深,网格量为300×104,计算域如图4所示.计算不同攻角减摇鳍使用相同的背景网格,不同攻角的船体带鳍网格根据几何作变化,如图5所示.

图4

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图4   计算域设置

Fig.4   Calculation domain


图5

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图5   船体带鳍周围网格

Fig.5   Mesh around the hull with fins


为顺利捕捉减摇鳍周围流场,重叠网格下相同船速下鳍片表面的局部流线、Y+的比较分别如图6和图7所示.Y+为研究流体在近壁面区域的流动状态而引入的无量纲距离.

图6

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图6   0° 减摇鳍流线信息

Fig.6   Streamline information of 0° fin stabilizer


图7

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图7   船和0°鳍的Y+

Fig.7   Y+ of vessel and 0° fins


相关计算表明,在Y+小于100时,能捕捉到减摇鳍附近的流线细节,可获得阻力和运动较好的模拟结果[13].

4 试验设置

在上海交通大学多功能船模拖曳水池进行阻力系列试验.拖曳水池的尺寸 300 m×16 m×7.5 m,拖车最大速度为10 m/s.

图8显示了整个船模的几何和减摇鳍的安装位置:在船中部安装了一对减摇鳍,纵向位置距离船尾边界约45%Lpp,在左舷和右舷各有一只,垂向位置比基线高出37%D,倾斜度为10°.鳍片的水翼采用NACA系列,工作角度范围是±20°.鳍片的几何参数见表1.

图8

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图8   带鳍的船舶模型

Fig.8   Ship model with fins


表2中列出各种试验状态,主要研究船鳍耦合作用下的阻力.试验工况①~⑧涵盖了不同鳍片攻角和不同船速下有或无鳍片情况.

表2   模型试验工况

Tab.2  Conditions of model test

工况
编号		航速/
kn		弗劳德数
(Fr)		模型速度/
(m·s-1)		鳍攻角/(°)
020
150.0570.3468①⑤
2140.1590.9711②⑥
3180.2041.2485③⑦
4220.2491.5260④⑧

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5 数值计算与试验结果比较分析

5.1 CFD结果验证

实验流体力学(EFD)和数值结果如图9所示,该图比较了没有鳍片和有鳍片攻角为0°和20°的实验结果.CFD的结果与试验数据也较为吻合,最大误差范围在4.87%以内.

图9

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图9   带鳍和不带鳍船的阻力曲线比较

Fig.9   Drag curves of ship with or without fins


表3为在18 kn即服务航速时,利用重叠网格模拟计算阻力与动态流体相互作用(DFBI)模拟[14]、模型试验结果的比较.DFBI模拟与模型试验在0° 与20° 时的误差分别为1.905%和1.434%;重叠网格计算结果与模型试验在0° 与20° 时的误差分别为0.180%和1.03%.计算结果与试验结果吻合度较高,误差均控制在2%以内.

表3   阻力试验结果对比

Tab.3  Comparison of results of resistance test

减摇鳍攻角/(°)阻力/N
模型试验07.775
模型试验209.965
DFBI模拟07.926
DFBI模拟2010.11
重叠网格模拟07.789
重叠网格模拟2010.066

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不同攻角的鳍平均阻力增量为8.252%,而在最大鳍片角度下阻力增量高达19%.船鳍耦合的CFD计算误差低于5%,而仅计算均匀流场中鳍的阻力,其结果会高估约40%.

5.2 鳍的阻力评估

在指定的雷诺数(Re)下,Uf为自由流速度,A为鳍片面积,当FL和FDCL和阻力系数CD可以定义如下:

CL=FL0.5ρAU2f
(5)
CD=FD0.5ρAU2f
(6)

由于局部速度的不稳定,引入了平均 ¯Re 的评估:

¯Re=ρUfLμ
(7)

式中:μ为动态黏性系数;L为鳍片长度.

根据鳍片的局部雷诺数,计算鳍片的阻力,并与实验结果进行比较.鳍片的阻力如表4所示.

表4   模型状态下减摇鳍20° 时阻力

Tab.4  Drag of 20° fin in the model state

FrRe减摇鳍阻力/N
试验
获得值		CFD计算值不考虑船体
计算值
0.1591.19×1051.8341.7492.598
0.2041.53×1052.75962.76173.946
0.2491.87×1054.04374.06486.098

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为了详细分析鳍片效应,采用重叠网格计算不同船速下鳍片表面的局部压力和摩擦力并进行比较,如图10所示.分析鳍片的摩擦因数可知,随着船航行速度增加,在0° 的鳍片上有两个集中的高摩擦区域,其中相对更高的区域靠近船体.然而,在20° 鳍片上,摩擦因数高的区域集中在鳍的导边.从压力分布分析,随着鳍片攻角较大,高压区集中在导边,以提供升力.

图10

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图10   在不同的速度下船鳍的压力和表面摩擦因数的详细分析

Fig.10   Detailed analysis of fin pressure and skin friction factor at different speeds


5.3 静水中带鳍船运动分析

在静水中18 kn服务航速下,对不同攻角带鳍船体的运动进行模拟.在速度较低时,船舶的升沉和纵倾不会影响船舶的阻力结果.减摇鳍在船中布置时主要影响船舶的横摇,故在模拟时开放了船舶的升沉和横摇两个自由度,计算结果参见表5.由表可知,减摇鳍为0° 时,CFD计算与模型试验在船舶运动误差较小,平均横摇误差为1.796%,说明使用重叠网格能够较好计算出带减摇鳍船舶在航行时的运动状态.

表5   18 kn航速时船舶运动的试验与数值结果对比

Tab.5  Comparison of testing and numerical results of ship motions at 18 kn

类型升沉/cm横摇/(°)减摇鳍攻角/(°)
模型试验-0.2574-0.01670
重叠网格-0.2835-0.01700

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6 结论

减摇鳍是一种有效的提升船舶舒适性的装置,在邮轮上应用广泛.减摇鳍的效果以及船鳍耦合作用的影响一直是工程界研究的热点问题.以一艘中型邮轮及其减摇鳍为研究对象,通过模型试验和使用重叠网格进行数值计算,分析对比结果,得出以下结论:

(1) 试验提供了可靠的船鳍作用下阻力结果.在不同船速下,不同攻角的鳍平均阻力增量超过8%,而在最大鳍片角度下阻力增量高达 19%.由试验得出,鳍片阻力在20°攻角比0°下增加4倍.试验结果表明鳍片诱导阻力影响显著,在设计中应该予以重视.

(2) 采用重叠网格CFD进行非定常分析计算了船鳍耦合和非耦合情况的鳍片阻力.船鳍耦合的CFD计算误差低于5%,而仅计算均匀流场中鳍的阻力,其结果会高估约 40%,船鳍耦合效应不可忽略.根据详细的流场信息和计算结果,发现随着速度提高,减摇鳍的高压区向前缘移动,而摩擦区向后缘移动.

(3) 对静水中减摇鳍的数值计算方法进行了研究,发现计算时减摇鳍部分Y+需小于100,才能精确捕捉船鳍耦合运动的流场,获得精度较高的船舶运动数据.

使用重叠网格对不同攻角减摇鳍进行分析,有利于理解船鳍耦合作用下鳍的阻力并提出高保真数值分析.使用重叠网格的数值计算与试验结果吻合较好,对实验中船体运动预报误差较小,为后续进一步计算波浪中的带减摇鳍船体运动分析提供了基础.

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