基于CFD 的風(fēng)電雙體運(yùn)維船片體間距優(yōu)化研究

楊鈴玉，陳 悅

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

0 引言

海上風(fēng)電是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，其運(yùn)營維護(hù)是不可缺少的重要組成部分，因而用于海上風(fēng)電場維護(hù)的船舶有著廣闊的發(fā)展前景［1］?？紤]海上風(fēng)電場主要集中在沿海，甚至有向近海發(fā)展的趨勢，因此運(yùn)維船應(yīng)具有優(yōu)良的航海性能，尤其是對快速性往往有較高的要求。

目前，在船舶快速性研究中，阻力預(yù)報(bào)主要有船模試驗(yàn)和數(shù)值模擬等2種方法。船模試驗(yàn)雖能較好地得到阻力預(yù)報(bào)結(jié)果，但要消耗一定的人力和物力，且時(shí)間上往往不允許。CFD技術(shù)應(yīng)用越來越普遍，其不僅能夠大大節(jié)省時(shí)間，在人力和物力的投入上也有著很明顯的優(yōu)勢，但其仿真結(jié)果如用通常的方法則因船型不同存有一定的差異。為此，本文首先選取片體形狀特殊的雙體船船型作為研究對象，并利用船模試驗(yàn)結(jié)果來尋求CFD的仿真方法，然后通過改變雙體船片體間距進(jìn)行系列仿真，得到阻力性能優(yōu)良的雙體運(yùn)維船型，從而為海上風(fēng)電運(yùn)維雙體船船型設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 雙體運(yùn)維船船型與船模

1.1 船型

根據(jù)風(fēng)電場運(yùn)維船的使用要求和特點(diǎn)，海上風(fēng)電比較發(fā)達(dá)的歐美國家，一般使用小型雙體船接送人員出入以及進(jìn)行日常的風(fēng)機(jī)維護(hù)工作。

雙體船由于具有較大的型寬和片體間距，因此具有良好的橫搖緩和性能。雙體船中具有代表性的船型有常規(guī)雙體船、小水線面雙體船以及穿浪雙體船，其中小水線面雙體船和穿浪船型無疑是耐波性能良好的代表者。但由于小水線面雙體船較薄的流線型支柱和較深的吃水給小型船舶主機(jī)的布置帶了一定的困難，因此并不完全適用于小型雙體船。穿浪雙體船雖綜合了小水線面雙體船和深V船型的優(yōu)點(diǎn)，但其復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)和尖瘦的片體形狀大大增加了建造難度和成本。為此，本文在常規(guī)雙體船型的基礎(chǔ)上吸取了小水線面船型的優(yōu)點(diǎn)，片體采用首尾設(shè)計(jì)水線相對瘦削、中部便于艙室布置的船型方案。

1.1.1 主要參數(shù)

本船的主要參數(shù)如下:

船長LOA21.0 m

型寬B 7.8 m

設(shè)計(jì)吃水T 1.1 m

片體寬度BS2.1 m

垂線間長Lpp 19.0 m

型深D 2.1 m

方形系數(shù)Cb0.43

片體間距b 5.7 m

設(shè)計(jì)航速 20 kn

1.1.2 型線特征

本船為小水線面雙體船，綜合考慮靜水阻力、耐波性及艙室布置等因素，船中部水線附近不宜過分窄，所以設(shè)計(jì)出從船中部向首尾兩端逐漸過渡到小水線面的船型，水線附近水線面加劇減小，最終首尾兩端呈現(xiàn)出類似球首球尾的形狀。這樣的設(shè)計(jì)主要是能減小船舶阻力并且能增加縱搖阻尼。同時(shí)，使尾部伴流較為均勻，可以減小螺旋槳激振力，從而提高推進(jìn)效率。其橫剖線如圖1所示。

圖1 橫剖線圖

1.1.3 片體位置

該船型片體位置如圖2所示。

圖2 片體位置示意圖

1.2 船模

本試驗(yàn)所用模型是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，按照1:10的縮尺比制作而成，如圖3所示。利用此模型，在江蘇科技大學(xué)拖曳水池中進(jìn)行靜水阻力試驗(yàn)。

圖3 海上風(fēng)電雙體運(yùn)維船模型圖

2 CFD仿真方法驗(yàn)證

2.1 仿真方法

2.1.1 CFD仿真軟件簡介

FINE/Marine是NUMECA公司為船舶與海洋工程打造的專業(yè)CFD軟件包，包含全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成器 HEXPRESS、功能強(qiáng)大的后處理工具CFVIEW以及由法國國家科學(xué)院開發(fā)的不可壓粘性流場求解器ISIS-CFD。FINE/Marine對于船舶工程問題的模擬，無需進(jìn)行二次開發(fā)就可以通過界面方便設(shè)置。

2.1.2 計(jì)算網(wǎng)格生成

對上述所建模型以parasolid格式的幾何文件導(dǎo)入到FINE-Marine中進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析其阻力性能。根據(jù)雙體船的對稱性，取其中一個(gè)片體進(jìn)行計(jì)算，這樣在保證計(jì)算結(jié)果的前提下節(jié)省了網(wǎng)格數(shù)量。將船體幾何文件導(dǎo)入至網(wǎng)格生成器HEXPRESS中生成遠(yuǎn)場邊界，并在船舶設(shè)計(jì)吃水處添加自由液面。

(1)生成初始網(wǎng)格，將計(jì)算域外部邊界圍成的區(qū)域均勻劃分初始網(wǎng)格。

(2)網(wǎng)格適應(yīng):按曲率、間隙、目標(biāo)網(wǎng)格單元尺寸等準(zhǔn)則在需加密的地方自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格，并刪除所有與計(jì)算域邊界相交和位于計(jì)算域外的網(wǎng)格單元。

(3)吸附和優(yōu)化:將適應(yīng)后的網(wǎng)格投影到模型外形上，并自動(dòng)吸附到所有的角點(diǎn)和棱邊，生成貼體網(wǎng)格，并優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量。

(4)插入邊界層網(wǎng)格:將緊鄰物面的一層網(wǎng)格進(jìn)行拆分細(xì)化成若干層網(wǎng)格，快速生成邊界層網(wǎng)格。

最終生成的全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格

2.1.3 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

將生成好的網(wǎng)格文件保存并導(dǎo)入至FINE/Marine中進(jìn)行計(jì)算參數(shù)設(shè)置。計(jì)算參數(shù)主要包括計(jì)算狀態(tài)參數(shù)、邊界條件參數(shù)、體定義、體運(yùn)動(dòng)參數(shù)、計(jì)算初始化參數(shù)、數(shù)值方法參數(shù)和計(jì)算控制參數(shù)。其中在邊界條件參數(shù)設(shè)置時(shí)，分為船體表面的物面邊界條件和計(jì)算域外邊界，船體表面甲板面設(shè)置為滑移壁面，其余表面均設(shè)置為固壁。計(jì)算域外邊界的頂部和底部設(shè)置為壓力面，其他設(shè)為遠(yuǎn)場邊界。

2.2 結(jié)果對比分析

通過改變速度設(shè)置，可以得到在不同傅汝德數(shù)時(shí)的阻力值，表1將模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。實(shí)驗(yàn)值與仿真值的對比分析圖見圖5。

表1 模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真阻力值比對表

圖5 實(shí)驗(yàn)值與仿真值的對比分析圖

由以上比較分析可知，試驗(yàn)阻力值與數(shù)值仿真的阻力值結(jié)果較為接近，因此，用數(shù)值仿真方法進(jìn)行該船阻力計(jì)算是可靠的。

3 片體間距對阻力的影響

間距寬度比(b/BS)是影響阻力的主要參數(shù)之一。在上述模型的基礎(chǔ)上，改變雙體船的片體間距，按照上述步驟劃分網(wǎng)格，設(shè)置計(jì)算參數(shù)，得到船模在設(shè)計(jì)航速3.25 m/s時(shí)(對應(yīng)的傅汝德數(shù)為0.73)的阻力數(shù)值。不同片體間距下船模阻力值見圖6。

由圖6可以看出，船模在間距寬度比為2.9時(shí)阻力值最小。當(dāng)片體間距寬度比超過2.9后，阻力反而變大。

圖6 不同片體間距下船模阻力值

4 結(jié)論

通過分析可得出:

(1)數(shù)值仿真軟件所得船模阻力與試驗(yàn)所得阻力值相比，最大誤差為5.75%，表明用該數(shù)值仿真方法進(jìn)行該船阻力計(jì)算是合理的。

(2)由改變片體間距所得阻力值的對比可得，該長寬比的雙體船在傅汝德數(shù)為0.73時(shí)，基本趨勢是阻力隨片體間距增加而減小，減小到一定程度后，阻力反而逐漸加大。最佳間距寬度比應(yīng)為2.9。

［1］ 劉林，葛旭波，等.我國海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及分析［J］.能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2012，3(3):66-72.

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