基于CFD的投饵船行驶阻力研究

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投饵船是实现蟹塘遍撒投饵的可行性方案之一,已成为解决蟹塘投喂这一问题的研究热点。行驶阻力是影响投饵船性能的主要因素,减阻效果良好的投饵船能提升续航能力,直接影响投饵船的适用性。寻找减阻性能优异的船型一直是工程问题中的难点,船体阻力研究具有重要的学术与工程价值。基于蟹塘水草区的浮水茎叶会漂流至投饵船行驶航道,与船底接触增加行驶阻力这一情况,本文对蟹塘投饵船船底型线进行优化设计,建立了蟹塘投饵船在不同工况下的水动力学计算模型,分析了优化型线对投饵船行驶阻力的影响。根据研究结果,设计了一款适用于大水面的蟹塘投饵船,实船区间测速试验验证了研究结果的正确性,为后续蟹塘投饵船型线设计提供指导。论文的主要研究内容和研究成果如下:(1)研究了投饵船行驶阻力的成因,投饵船工作时的行驶阻力主要由摩擦阻力、粘压阻力、兴波阻力三部分构成。对比了二因次法与三因次法的区别,发现通过实船与船模换算方法所得行驶阻力均存在偏差,后续进行水池拖拽试验时采用实船作为研究对象以减小试验误差。探究了数值模拟算法的基本原理,根据投饵船行驶阻力模拟需求,选择合适的湍流模型和离散方法。(2)基于流线型会减轻水流脱流现象,降低投饵船艏艉压差从而减小行驶阻力这一特性提出了尖底和圆棱底两种参数化船型设计方案,建立了3种船型的水动力学计算模型。根据船体尺寸选择合适的计算域尺寸以避免域面对内流场产生影响。网格划分采用分块划分的形式以提高计算精度,降低计算时间。求解的残差与阻力曲线均具有收敛性,证明了模型求解设置方案的可行性。(3)计算了3种船底型线的蟹塘投饵船在不同型线尺寸、船速0.5~2m/s、吃水深度0.1~0.22m下的阻力,结果表明:投饵船的船体表面兴波情况随船速增加变化明显,波高逐渐上升,波峰逐渐后移,船体前后压差逐渐增大;船底型线尺寸对行驶阻力影响较大,船速1.5m/s时,随着型线设计参数变化,减阻率最高可达12.25%;相较于尖底船,圆棱底船始终具有更好的减阻效果,减阻率最高达16.27%;3种船型的经济船速均不应大于1.5m/s,经济吃水深度均不应大于0.18m;所设计尖底船和圆棱底船均能减小船底与水草的滑动摩擦阻力,更适用于蟹塘投饵。(4)在上海海洋大学室内水槽中进行了平底投饵船船体拖拽试验,通过调速电机拉动平底船在水池中匀速前进以控制船速,拉力传感器与船头采用三角形连接以保证船体始终呈正向行驶。对比分析船速0.5~1.5m/s内的试验测量阻力和计算阻力,两者误差率最高仅9.65%,可以认为计算结果具有可信度。(5)根据研究结果设计了一款载重量100kg的大型圆棱底船,通过修改船体主尺寸减小其菱形系数与方形系数,使大型圆棱底船的理论减阻效果优于平底船。船体材料选择聚乙烯以减轻船体自重,提高载重量,开模工艺选择吹塑工艺。进一步仿真计算2种船体空载时的行驶阻力,计算结果显示船速在0.5~2m/s内时,大型圆棱底船与小型平底船的行驶阻力最大差值仅6.43N,且大型圆棱底船在高速时具有更明显的减波效果。实船区间测速试验结果显示大型圆棱底船与小型平底船的船速差小于5.4%,显示了圆棱底良好的减阻性能。基于CFD软件的模拟计算能准确观察3种船底型线的投饵船船艉流场和船身压力分布的变化情况,方便对比选择出最佳优化方案。所设计大型圆棱底船的计算减阻效果与实船试验结果一致,说明CFD模拟计算结果具有准确性,对蟹塘投饵船阻力研究具有较好的运用价值。圆棱底船确实能减小蟹塘投饵船行驶阻力与水草阻力,打破了当前投饵船设计仅存在平底与尖底2种船型的思路限制,为后续投饵船设计提供了较好的借鉴价值。
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