船舶風(fēng)載荷計算及上層建筑降阻優(yōu)化

船舶風(fēng)載荷計算及上層建筑降阻優(yōu)化

蔡文山,高家鏞,楊春勤

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

摘要:以某5萬噸級油船為研究對象，采用數(shù)值計算和風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法，對該油船不同風(fēng)向角下的風(fēng)載荷進行了研究。同時，基于降阻提效的理念，對該船上層建筑正迎風(fēng)面構(gòu)型進行了優(yōu)化設(shè)計，并提出了3套優(yōu)化方案。研究結(jié)果表明：數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合，該數(shù)值方法可用于船舶風(fēng)載荷工程預(yù)報；提出的上層建筑優(yōu)化方案能夠達到一定的降阻效果。

關(guān)鍵詞:船舶風(fēng)載荷； 數(shù)值計算； 風(fēng)洞試驗； 降阻優(yōu)化

收稿日期：2015-01-13

基金項目：工信部高技術(shù)船舶項目(國214C-6106A)

作者簡介：蔡文山(1986—)，男，福建漳州人，研究實習(xí)員，主要從事船舶風(fēng)場和船舶總舾設(shè)計工作。

文章編號：1674-5949(2015)02-008-07

中圖分類號：U661.71文獻標(biāo)志碼：A

Calculation of Ship Wind Load and Superstructure Resistance Optimization

CaiWenshan,GaoJiayong,YangChunqin

(Shanghai Ship and Shipping Research Institute, State Key Laboratory of

Navigation and Safety Technology, Shanghai 200135, China)

Abstract:The wind loads on an oil tanker under different wind angles are calculated by means of combining the numerical simulation and wind tunnel tests. For the purpose of improving shipping energy efficiency through reducing wind resistance, some optimization works on windward configuration of the superstructure on this oil tanker are investigated, and three optimization schemes are proposed. Test results show that numerical calculation output agrees with that of wind tunnel tests with the accuracy that is appropriate from the viewpoint of engineering application. Each proposed optimization scheme achieves certain effect of resistance reduction.

Key words: ship wind load; numerical simulation; wind tunnel test; optimization of resistance reduction

0引言

船舶的風(fēng)載荷對船舶的推進性能、操縱性能有較大的影響。在一些特殊的工況(如船舶港口作業(yè)，駁船頂推作業(yè)和動力定位)下，風(fēng)載荷的影響更加明顯。另外，隨著船舶能效設(shè)計指數(shù)(Energy Efficiency Design Index, EEDI)等[1]的逐步推行及綠色船型設(shè)計研究的逐步深入，各航運企業(yè)、造船行業(yè)對船舶性能的要求越來越高，更多地關(guān)注船舶性能細(xì)節(jié)，更加重視船型優(yōu)化設(shè)計。

此處對一艘典型油船在不同風(fēng)向角下的風(fēng)載荷進行研究比較，同時，基于降低風(fēng)阻、提高航運能效的理念，對該油船上層建筑正迎風(fēng)面構(gòu)型進行降阻優(yōu)化設(shè)計，并通過風(fēng)洞試驗驗證優(yōu)化方案的有效性。

1數(shù)值計算模型

以某5萬噸級油船(船長183.2 m，型寬32.2 m，型深18.2 m，設(shè)計航速15 kn)為研究對象。采用數(shù)值建模方法對船舶甲板上的管道等結(jié)構(gòu)進行簡化處理，最終得到的數(shù)值幾何模型(采用Gambit建模)見圖1。

圖1　壓載吃水工況的數(shù)值幾何模型

數(shù)值模型采用新的流域分區(qū)構(gòu)造和網(wǎng)格劃分方法[2]，將計算域分成內(nèi)域和外域，內(nèi)、外域交界面通過Interface邊界進行信息傳遞。內(nèi)域設(shè)計成圓柱體形(見圖2)，能圍繞其軸線做任意角度旋轉(zhuǎn)，船模置于其中。在不同來流風(fēng)向角的計算工況下，只需將內(nèi)域旋轉(zhuǎn)至所需的角度而外域維持不變。數(shù)值計算時，只需進行一次流域構(gòu)造、網(wǎng)格劃分和邊界條件定義即可實現(xiàn)任意多風(fēng)向角工況的計算，大大減少了建模的工作量。

圖2　計算流域及船體表面網(wǎng)格

船模表面網(wǎng)格采用三角形pave劃分，船模結(jié)構(gòu)各角隅局部加密處理。劃分體網(wǎng)格時使用尺寸函數(shù)進行加密，使得影響計算結(jié)果的船體附近網(wǎng)格能夠達到足夠的密度。整體上，在近域使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格形式，遠(yuǎn)域使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格形式。以壓載工況為例，最終非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格361.7萬個，占網(wǎng)格總數(shù)的67.37%，網(wǎng)格質(zhì)量良好，偏斜率>0.75的僅有116個，幾乎可以忽略。

數(shù)值計算在FLUENT軟件上完成。在船體及上層建筑表面使用無滑移邊界條件(Wall邊界)，流域空氣入口選用Velocity-Inlet邊界，空氣出口選用Pressure-Outlet邊界，流域其他邊界采用Symmetry邊界。采用定常計算并選擇Realizableκ-ε兩方程湍流模型[3]配合非平衡壁面函數(shù)。船模分別在壓載和滿載載況下，相對風(fēng)速11 m/s和20 m/s，風(fēng)向角從0°~180°每隔15°為一檔進行數(shù)值計算。

2風(fēng)洞試驗

風(fēng)洞試驗在同濟大學(xué)TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞實驗室完成。該風(fēng)洞是一座閉口回流式矩形截面風(fēng)洞，試驗段寬3 m、高2.5 m、長15 m，試驗風(fēng)速在0.5～68 m/s連續(xù)可調(diào)。將試驗船模設(shè)計為可以拼接的分塊剛體模型，船?？s尺比為1∶120。試驗示意圖見圖3。

圖3　風(fēng)洞試驗示意圖

為模擬水面以及消除天平、連接件等對氣流的干擾，設(shè)計了測力系統(tǒng)支架。該支架由十字形鋼板、近似橢圓形的有機玻璃薄板以及兩者間的支架組成。船模水平安裝于風(fēng)洞中，與支架分離，由安裝在轉(zhuǎn)盤上的六分量應(yīng)變天平支撐，作用在船模上的氣動力由該天平測量。船模和轉(zhuǎn)盤可以在風(fēng)洞室控制下進行360°旋轉(zhuǎn)，從而進行不同風(fēng)向角下的試驗。測量時，設(shè)定風(fēng)向角在0°~180°每隔15°為一檔進行試驗。

3不同風(fēng)向角風(fēng)載荷研究

使用固定在船體上的右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點固結(jié)在船舯剖面、中縱剖面和水線面相交位置，x軸指向船首，y軸指向右舷，z軸指向水下。船舶正迎面為0°風(fēng)向角，風(fēng)向角逆時針旋轉(zhuǎn)。在實際研究中，比較關(guān)心船舶在風(fēng)場中所受到的縱向力Fx(縱蕩力)、橫向力Fy(橫蕩力)、橫搖力矩Mx和艏搖力矩Mz。相應(yīng)的風(fēng)力(矩)系數(shù)定義參考見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式(1)~式(2)中：ρ為空氣密度；V為相對風(fēng)速；LOA為船舶總長；HL為船舶側(cè)向平均高度；AF為船舶水上部分正面投影面積；AL為船舶水上部分側(cè)向投影面積。

將數(shù)值計算結(jié)果和風(fēng)洞試驗結(jié)果按照式(1)和式(2)進行無量綱化。限于篇幅，僅對11 m/s風(fēng)速下的數(shù)值計算與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行比較分析(見圖4~圖7)。

圖4　風(fēng)載荷縱向力系數(shù) C F x 結(jié)果比較(左圖壓載工況，右圖滿載工況，下同)

圖5　風(fēng)載荷橫向力系數(shù) C F y 試驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對比

圖6　風(fēng)載荷艏搖力矩系數(shù) C Mz試驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對比

圖7　風(fēng)載荷橫搖力矩系數(shù) C Mx試驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對比

從圖4~圖7可看出，風(fēng)力艏搖力矩系數(shù)與橫向風(fēng)力系數(shù)的數(shù)值計算值與試驗值吻合程度最好，其次是縱向風(fēng)力系數(shù)；風(fēng)力橫搖力矩系數(shù)在小風(fēng)向角時吻合很好，大風(fēng)向角時數(shù)據(jù)吻合較差。從壓載與滿載工況看，滿載工況下數(shù)值結(jié)果與試驗值吻合最好，壓載工況下數(shù)值結(jié)果與試驗值吻合較差。一方面，數(shù)值計算時壓載的幾何模型比滿載多出一層曲率復(fù)雜的船殼模型，給網(wǎng)格劃分和數(shù)值計算精度保證帶來了更多難度；另一方面，風(fēng)洞試驗時發(fā)現(xiàn)，同風(fēng)速同風(fēng)向角下，壓載船模在吹風(fēng)時會出現(xiàn)較明顯的振動與傾斜變形，增加了測量誤差。

1) 對于縱向風(fēng)力系數(shù)：滿載工況下，風(fēng)向角180°時數(shù)據(jù)誤差最大，達到33.92%，其他數(shù)據(jù)點明顯小于該誤差值；壓載工況下，小風(fēng)向角時數(shù)值結(jié)果小于試驗結(jié)果，大風(fēng)向角時數(shù)值結(jié)果大于試驗結(jié)果(除了180°數(shù)據(jù)點外)，總體誤差結(jié)果比滿載工況大。

2) 對于橫向風(fēng)力系數(shù)：除去數(shù)據(jù)值接近零的點外，在能夠比較的11個數(shù)據(jù)點中，壓載工況有4個點的誤差<7%，誤差分別是1.08%,2.08%,4.87%和6.32%；滿載工況有5個點誤差<7%，誤差分別是0.91%,1.16%,2.27%,2.28%和6.22%；其他數(shù)據(jù)點誤差較大，但整體上可以認(rèn)為數(shù)值模型對橫向風(fēng)力系數(shù)的計算有較高精度。

3) 對于風(fēng)載荷艏搖力矩系數(shù):滿載工況下有5個數(shù)據(jù)點誤差<7%，分別是1.15%，1.30%，3.02%和6.90%,其他數(shù)據(jù)點誤差較大些;壓載工況下數(shù)據(jù)吻合度比滿載差，但是曲線的變化趨勢(細(xì)節(jié))還是吻合很好;可以認(rèn)為數(shù)值模型對艏搖力矩系數(shù)的計算也具有較高精度。

4) 對于風(fēng)載荷橫搖力矩系數(shù):在小風(fēng)向角時吻合很好，其中壓載工況下有4個數(shù)據(jù)點的誤差<11%，分別是3.91%,6.73%,8.53%和10.4%；大風(fēng)向角吹風(fēng)時，兩種數(shù)據(jù)吻合較差。由于到大風(fēng)向角下試驗船模振動和傾斜會更為明顯，橫向力偏大，試驗誤差較大，因此數(shù)值結(jié)果與之吻合較差。

4上層建筑降阻優(yōu)化研究

隨著綠色船型研究逐步深入，在進行船型開發(fā)的同時也在挖掘更多優(yōu)化空間，風(fēng)載荷優(yōu)化研究逐漸走進了業(yè)內(nèi)人士的視野?；诮档惋L(fēng)阻、提高航運能效的目的，對該油船上層建筑正迎風(fēng)面構(gòu)型進行降阻優(yōu)化設(shè)計。

4.1優(yōu)化方案設(shè)計

該油船原本的上層建筑主體迎風(fēng)面為平直面(定為方案A)，優(yōu)化工作主要是對該迎風(fēng)面形狀進行改良。從滿足規(guī)范和工程應(yīng)用要求出發(fā)，提出了3套迎風(fēng)面構(gòu)型的優(yōu)化方案(見圖8)。

方案B：在上層建筑迎風(fēng)面前添加1個單薄的導(dǎo)流斜板，也可以視為是對在正迎風(fēng)面和兩側(cè)風(fēng)面角隅處斜切去一小角(此時側(cè)風(fēng)面相應(yīng)較大些)。方案C：在上層建筑迎風(fēng)面和兩側(cè)風(fēng)面角隅處斜切兩刀，切成兩角。方案D：在上層建筑迎風(fēng)面和兩側(cè)風(fēng)面角隅處倒圓角，形成弧線過渡。不同方案間，上層建筑的其他結(jié)構(gòu)基本保持一致，但考慮到結(jié)構(gòu)的合理性，某些部位會根據(jù)不同優(yōu)化方案的變化而發(fā)生相應(yīng)的微小改動，如上層建筑翼橋位置在不同方案間稍有變動。

4.2優(yōu)化結(jié)果分析

分別對4套上層建筑方案進行了數(shù)值建模計算和模型風(fēng)洞試驗。數(shù)值計算中，模型比較理想，降阻效果偏于樂觀。風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ捅容^復(fù)雜，在甲板上添加了許多管道、步橋和肋板等構(gòu)件，吹風(fēng)試驗時會引起部分紊流、湍流，減阻效果比較真實。

圖8　上層建筑正迎風(fēng)面構(gòu)型優(yōu)化方案圖

表1左側(cè)列出了數(shù)值模型在實船尺寸、相對風(fēng)速20 m/s工況下4個方案的計算結(jié)果。表1右側(cè)數(shù)據(jù)列出了數(shù)值模型在縮尺比為1∶120、相對風(fēng)速為11 m/s工況下4個方案的計算結(jié)果。比較發(fā)現(xiàn)，兩種工況下，數(shù)值計算結(jié)果穩(wěn)定。方案B降阻約為8%，降阻效果較差；方案C降阻約為25%，方案D降阻約為26%，降阻效果較明顯。

表1　不同方案的數(shù)值計算結(jié)果比較

表2為船模在7 m/s，11 m/s和15 m/s風(fēng)速下風(fēng)洞室吹風(fēng)測力的結(jié)果數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明:在3個風(fēng)速下優(yōu)化方案B降阻1%~3%，降阻不明顯；方案C和方案D降阻效果明顯且穩(wěn)定，穩(wěn)定降阻在15%~18%。

表2　不同方案的風(fēng)洞試驗結(jié)果比較

對比結(jié)果，考慮存在的誤差，基本可以認(rèn)為試驗結(jié)果和數(shù)值優(yōu)化結(jié)果趨勢吻合，優(yōu)化方案都達到了穩(wěn)定的降阻效果。

風(fēng)洞吹風(fēng)試驗時，輔助使用噴煙裝置，觀察油船上層建筑繞流場在若干關(guān)鍵位置的流場情況，直觀地比對4套不同構(gòu)型的上層建筑在迎風(fēng)角隅處氣流分離的差異情況。圖9~圖12分別展示了4套方案在試驗中和數(shù)值模型中的流場情況。

從圖9~圖12左側(cè)圖可看到:試驗時從正前方來的煙氣流在流經(jīng)上層建筑正迎面角隅處時發(fā)生了分離，原方案A的氣流分離最為明顯，分離角度最大；方案B氣流的分離稍有改善，分離角度略有減小，但分離路徑很明顯；方案C和方案D氣流分離較少，分離角度變小，導(dǎo)流效果較為明顯，故降阻幅度較大。從圖9~圖12的右側(cè)圖可看到，數(shù)值速度矢量圖所模擬的各個方案的氣流分離情況和試驗噴煙基本吻合，因此也說明了數(shù)值模擬對流場細(xì)節(jié)捕捉的相對準(zhǔn)確性。

從船舶繞流風(fēng)場的特點上分析，在方案A中，當(dāng)迎面而來的風(fēng)遭遇到垂直上層建筑平直迎風(fēng)面時，大部分氣流風(fēng)速驟降，在迎風(fēng)面形成高壓區(qū)；一部分氣流順勢下墜(或上升)，在迎風(fēng)面前局部形成旋渦。受平直迎風(fēng)面的阻擋，氣流在繞過迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的角隅處時被迫分離，向船舶兩舷側(cè)高速分流，局部的高速流引起局部壓強下降，導(dǎo)致側(cè)風(fēng)面氣流在逆壓差下產(chǎn)生氣流回流，不同流向的氣流混在一起，形成局部旋渦。旋渦的生成、破碎再生成不僅消耗大量能量，而且還加劇后面艉部流場的紊流，使得流場更加復(fù)雜，相應(yīng)的風(fēng)阻力比較大。

圖9　方案A風(fēng)洞試驗噴煙示意圖和數(shù)值計算速度矢量圖(高度 z=14 m處)

圖10　方案B風(fēng)洞試驗噴煙示意圖和數(shù)值計算速度矢量圖(高度 z=14 m處)

圖11　方案C風(fēng)洞試驗噴煙示意圖和數(shù)值計算速度矢量圖(高度 z=14 m處)

圖12　方案D風(fēng)洞試驗噴煙示意圖和數(shù)值計算速度矢量圖(高度 z=14 m處)

優(yōu)化方案主要著眼于如何使得迎風(fēng)面有良好的導(dǎo)流效果，使得氣流在迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面角隅處盡量減少分離，保持流向一致。在方案C和方案D中，由于迎風(fēng)面角隅處有較好的削角和倒角處理，使得迎面的氣流在角隅處分離較少，流向保持較好，在角隅往后的一大區(qū)域內(nèi)幾乎沒有形成旋渦，因此這2種方案能夠大幅穩(wěn)定降阻。方案B的輕微削角起到了一定的導(dǎo)風(fēng)效果，但角隅處的氣流分離和隨后的旋渦區(qū)還是比較明顯的，故降阻不明顯。

5結(jié)語

以一艘5萬噸級油船為研究對象，分別對其受風(fēng)載荷進行了數(shù)值模擬計算和風(fēng)洞試驗測量。通過分析比較，得到以下結(jié)論：

(1) 風(fēng)洞測力試驗可以得到可靠的船模風(fēng)載荷系數(shù)，但是風(fēng)洞試驗研究成本高，周期長;

(2) 采用合適的CFD手段進行數(shù)值模擬計算可以得到較為正確的風(fēng)載荷系數(shù)，隨著計算機和CFD技術(shù)高速發(fā)展，數(shù)值模擬方法將得到更廣泛的運用;

(3) 所采用的數(shù)值模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，數(shù)值模擬能夠滿足工程精度要求。

在風(fēng)載荷優(yōu)化方面，對該船上層建筑正迎風(fēng)面構(gòu)型提出了3套優(yōu)化方案，通過數(shù)值計算和風(fēng)洞試驗的驗證比較研究，得到幾點結(jié)論：

(1) 試驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果比較吻合，流場關(guān)鍵位置也顯示出相似的細(xì)節(jié)信息，不同迎風(fēng)面構(gòu)型的優(yōu)化方案都達到一定的降阻效果,驗證了數(shù)值計算策略的可行性與可靠性;

(2) 迎風(fēng)面的導(dǎo)流效果是減少風(fēng)阻力的一個重要因素,通過迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面角隅處的局部簡單優(yōu)化，能夠減少氣流分離，帶來導(dǎo)流效果的大幅改善;

(3) 優(yōu)化方案C和優(yōu)化方案D降阻穩(wěn)定且效果相當(dāng),但是從工程建造適用上分析，方案C更為實用，該方案僅對角隅進行削角，便于建造,而方案D需要倒圓弧，加工工藝較復(fù)雜。

參考文獻：

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