图2 布放机构多体动力学模型Fig.2 Multi-body dynamics model of laying mechanism

3 布放杆件的水动力学计算

布放杆件的水动力学计算主要是分析布放杆件的截面形状与尺寸、入水深度等影响因素。

3.1 计算流体动力学基本理论

在常温下，圆柱绕流存在不可压缩、无传热过程等流动问题，其控制方程主要为连续性方程和动量守恒方程，张量形式的表达式分别如下［12］：

式（1）和式（2）为通用的瞬态 Navier-Stokes（N-S）方程。式中：ρ为流体密度；x为流体的位移；u为流体速度；p为流体压力；μ0为流体运动粘性；f为流体的体积力；下标i，j，k表示方向（i，j，k=1，2，3）；δij为单位张量，其表达式为

N-S方程的非线性使得要采用解析法精确描写与时间、空间相关的湍流细节非常困难，本文将主要通过数值方法进行建模求解。

3.2 流体动力学建模

计算对象为位于船体舷侧并垂直于水中的柱体，其总长为4～6 m，入水长度为2～4 m，位于空气中的长度为2 m，直径为20～60 mm，上端面与舰体固定，距离舷侧约0.5 m，舰船的航行速度为6～10 kn。其示意图如图3所示。

图3 计算对象示意图Fig.3 The diagram of analysis objects

由于立柱的直径相对较小，故忽略船体干扰的影响。计算水动力时，将其简化为在敞水中航行，计算区域为长方体，如图4所示，区域总长12 m，高度10 m，宽度1 m，立柱位于区域中部靠前处，距离入口3.0 m，距离左、右侧面0.5 m。水面设置为距离流域顶部2.0 m。

图4 计算流域Fig.4 The computational fluid domain

边界条件设置：入口速度沿边界法向进入流域，大小等于航速；出口压力在水线以下按静水压力变化；立柱表面设置为无滑移的光滑物面；其余表面设置为光滑对称面。

流体区域的离散采用剪切型网格，主要为六面体单元。流动区域的网格离散如图5（a）所示，网格总数为182万。在立柱表面、水面等位置处进行网格加密，在水线处沿垂向进行网格加密，网格尺寸为4 mm。立柱表面上的网格尺寸为4 mm，如图5（b）所示，沿法线方向设置边界层。

图5 流体计算网格图Fig.5 The computational grid of fluid

3.3 计算结果分析

3.3.1 截面形状的影响

计算4种立柱截面形状对阻力的影响。为便于对比，在计算过程中，立柱长度均取单位长度，且忽略自由液面的影响。截面形状及尺寸如图6所示。

其中，圆柱形截面的直径为30 mm；椭圆截面的长轴为60 mm，短轴为30 mm，长轴方向为流动方向；简化翼形厚度为30 mm，长度为60 mm，其中最大厚度前部分为圆弧形，直径为30 mm，最大厚度后部分沿流动方向光顺过渡；参照机翼理论，NACA 0020标准翼形弦长为150 mm，最大厚度为30 mm。

图6 不同截面形状及尺寸Fig.6 Different section shapes and sizes

计算不同截面形状在静水航速为6，8和10 kn下的阻力，所得单位长度的立柱阻力如表1所示。

表1 不同截面形状对阻力的影响Table 1 Effect of different section shapes on fluid resistance序号 截面形状 阻 力/N 1234圆形椭圆形简化翼形NACA 0020翼形6 kn 26.1 20.5 17.0 13.4 8 kn 44.0 34.1 27.7 22.5 10 kn 66.2 50.7 40.9 33.8

从表1中可以看出，在截面厚度相同的情况下，NACA 0020标准翼形截面的阻力最低，简化翼形的阻力次之，圆形截面的阻力最大。相对于圆形截面，在3种静水航速下，NACA 0020翼形的阻力可降低48.8%，简化翼形的阻力可降低35.1%～38.2%，椭圆截面的阻力可降低21.6%～23.4%。

图7和图8所示为10 kn航速时不同截面附近的速度场和压力场云图。由速度场云图可以看出，由于圆柱截面在流动方向上的突变性，在其后方形成了速度大幅降低的流动滞留区，在该区域内发生了流动分离现象，而采用简化翼形或NACA 0020标准翼形剖面则可使流动变得光顺，可减少流动分离的发生。由压力云图同样可以看出，采用简化翼形或NACA 0020标准翼形可使压力沿流动方向变得平缓，从而减少了因流动分离而导致的压差阻力，这也是采用翼形降低阻力的主要原因。

尽管椭圆、简化翼形和NACA 0020标准翼形截面都可使阻力较大幅度地降低，但此时是假设流动方向与截面长轴（弦长）方向绝对一致，但在实际使用过程中，受安装误差、船体表面曲度及船体摇荡运动的影响，难以做到来流方向与截面长轴（弦长）方向完全一致，此时，就会导致一定攻角发生，从而使流动性不对称。

图7 当速度为10 kn时截面附近速度场云图Fig.7 The velocity field contours near section at 10 kn

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0107/461.html

上一篇：波浪增阻计算方法在船型综合优化设计中的应用
下一篇：“2018流固耦合力学在船舶与海洋新能源中的应