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船舶航行时，不可避免地会使水面产生波浪，在船首和船尾附近会各发生一组波系，每组波系包括横波与散波。其中横波大致垂直于航向，散波则同航向斜交，船波起伏的能量由船体供给，会消耗一部分船舶推进功率，由此产生的阻力为兴波阻力。 为了减小兴波阻力，现代船舶在设计时采用球鼻艏设计，利用球状部分所形成的低压来抑制艏波的高度，从而减小兴波阻力，这是一种既经济、有效且可提高船速的方法。 球鼻艏，简称球艏，其型式有水滴形、撞角形和圆球形等多种。球艏虽然会使船体湿表面积增大，但其阻力会因船艏波与球艏波之间的有利干扰，或球艏附近水流情况的改善而减小。 有资料统计，当船舶满载时，球鼻艏可降低船舶主机功率10%~20%。文章将基于圆球型球鼻艏的几种构型来对兴波阻力的减阻特性进行分析。 基于圆球型球鼻艏构型的兴波阻力减阻特性分析 张文山，卢晓平 中国舰船研究，2017，12（1）：21-26 设计优良的球鼻艏具有较好的减阻效果。但在船舶设计领域，由于军用水面舰船多需要安装声呐导流罩，且由于实际空间布置的原因，一般不安装具有减阻能力的球鼻艏，因此具有减阻效果的球鼻艏多见于民船。 球鼻艏构型对阻力的影响机理到目前为止实际上并没有得到明确的证实，针对这方面的深入研究还很少，更是未见有采用当代船舶CFD数值模拟新技术研究水面舰船球鼻艏减阻机理的文献。 为此，文章采用CFD数值模拟手段，以DTMB5415为母型船，在充分考虑影响阻力性能的球鼻艏几个关键参数的基础上，设置了几组有代表性的改型，通过对比不同构型球艏的减阻效果来分析圆球型不同球艏参数对高速水面舰船减阻效果的影响。 为便于进行阻力特性分析，将球鼻艏简化为了圆球形。首先，将在充分考虑影响阻力性能的球鼻艏几个关键参数的基础上，设置了几组具有代表性的改型——DTMB5415-01系列船型和DTMB5415-11系列船型。 然后，采用粘性流动CFD数值模拟软件STAR-CCM对基本船型DTMB5415G和上述2类系列船型的流场与阻力进行了数值模拟及计算，得出了相关加球鼻艏船型方案的剩余（兴波）阻力系数曲线。 文章结果显示，在不同的傅汝德数Fn条件下，这些改型在舰船中速、高速段（Fn=0.36~0.45，对应于实船航速26.1~32.6 kn）能够实现较好的减阻效果，其中兴波阻力在Fn=0.45时最大减小35%，相应地，总阻力最大能够减小25%，同时也验证了CFD计算的可行性和有效性。 图1 计算模型DTMB 5415的01改型方案图示 图2 计算模型DTMB 5415的11改型方案图示 图3 原型与改型计算总阻力对比 图4 原型与改型计算剩余阻力对比 |
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