节能阻流板诱导升力函数化研究

In recent years, one of the hotspots is to reduce resistance and save energy, and the shipping project is faced with enormous pressure because of energy consumption. The traditional methods used for energy-saving all have shortages, but interceptor is a power tool to solve the problem compared with them. It is significant in the development of the green ships, design of the new ships and improvement of the old vessels. This research is carried out on basis of the theory of viscous fluids, and the methods of numerical simulation and model test are both used to investigate the lift force induced by interceptor. An alternative set of computation parameters are suggested for the calculation of the hydrodynamic interaction, the relationship between the lift force and each factor/factors influencing the force are investigated, and the model test is carried out on the purpose of verification and modification. The flow field is also observed and analysed by the test. The function of the induced lift force will be obtained and checked by this research, the hydrodynamic mechanism of interceptor is presented, and the low-cost method offers a possibility for energy-saving and improvement of the hydrodynamic performance of the old ships.

节能减阻是近年来国际上关注的热点，船舶行业作为能耗和排放重点行业，面临着巨大的压力和挑战。目前可能采用的节能减阻方法在节能效果、成熟程度和实施手段方面均存在一定的不足，阻流板能够较好的解决以上问题，对绿色船舶的发展，新船型的开发和旧船型的改良有积极的意义。本项目拟基于粘性流体力学理论，采用数值模拟预报规律、模型试验验证和修正相结合的方法，对阻流板诱导升力进行研究。建立用于捕捉大、小尺度物体间水动力干扰的系统的数值模拟方案，研究阻流板诱导升力和各独立影响因素之间的关系，探讨多因素耦合作用下升力的变化规律，并通过试验对计算方案和单、多因素作用下升力变化规律进行验证和修正，对阻流板绕流场进行观测和分析。通过本项目的开展，可望在理论上揭示阻流板诱导升力的函数表达式和阻流板的水动力机理，并验证函数关系的可靠性和实用性，为低成本解决船舶节能减阻、降低排放量和提高旧船型水动力性能奠定理论和技术基础。

项目研究中针对阻流板的作用效果和产生作用的水动力机理采用了数值计算和模型试验两种手段进行了系统深入的研究。在数值计算研究中，为建立适用的计算方案，首先将影响项目研究中数值计算的因素分为船体表面第一层网格节点的高度、船体表面网格尺度、网格节点分布系数、对流项离散格式及湍流模型，针对项目研究中设计的船型分别开展各因素影响的研究，依次确定了以上因素或选取范围，最终总结得到了适用的计算方案，与试验数据的对比显示出较好的计算精度。模型试验中，为开展基础研究，获得相关参数的影响规律，自行设计并制作了水面高速船型的系列模型，不同模型之间船型参数各有差异，保证研究中可以获得相应船型参数带来的影响。在此基础上，开展了360多航次的系列模型的拖曳试验，分别研究了航速、阻流板高度、吃水、底部斜升角、纵倾带来的影响，分析其中规律，可以发现，安装阻流板之后所产生的诱导升力无因次化之后与无因次的航速 呈正比，两者之间存在弱的非线性关系；无因次的诱导升力系数正比于阻流板高度，两者之间以线性关系为主，同时存在弱的非线性；当吃水深度增加时，无因次的诱导升力系数增加；当底部斜升角增大时，无因次诱导升力系数减小；当纵倾角增大时，诱导升力系数增大。同时，试验中低航速和高航速的测量数据由于硬件条件有限可信度不足；过大的底部斜升角会使船体附近的流场变得混乱，带有纵倾情况下更加影响测量效果，在形成函数关系中不参考这些数据。基于以上独立因素作用规律的研究，最终给出多参数耦合作用情况下阻流板诱导升力函数关系，并与国外相关研究进行了比较，预报精度有显著提高。