絞吸船水流力的數(shù)值模擬研究

王勝勇，王冬姣*，季勇志

（1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州510640；2.中交廣州航道局有限公司，廣東廣州510221）

絞吸船水流力的數(shù)值模擬研究

王勝勇1，王冬姣1*，季勇志2

（1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州510640；2.中交廣州航道局有限公司，廣東廣州510221）

利用CFD方法對(duì)7025型絞吸船遭遇不同來(lái)流攻角時(shí)的周圍流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出作用在絞吸船上的水流力系數(shù)隨來(lái)流攻角和水深的變化關(guān)系。結(jié)果表明：水深對(duì)橋架縱向水流力影響較大而對(duì)橫向水流力和縱搖力矩系數(shù)的影響較小。結(jié)果可為絞吸船施工作業(yè)提供指導(dǎo)。

絞吸船；水流力系數(shù)；數(shù)值模擬

0 引言

絞吸式挖泥船是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高的水上施工設(shè)備[1]。挖泥船施工作業(yè)時(shí)，變化的水流力會(huì)影響船舶的操控甚至可能會(huì)危及船舶的安全[2]。在作業(yè)過(guò)程中，船體所受各種載荷非常復(fù)雜，如絞刀切削力及風(fēng)、浪、流對(duì)船體的作用力等。目前大多采用OCIMF[3]提供的VLCC水流力系數(shù)的試驗(yàn)曲線計(jì)算作用在絞吸船上的水流載荷，沒(méi)有考慮首尾凹槽對(duì)流載荷的影響[1，4-5]。由于絞吸船上有從甲板貫穿到船底的凹槽，與一般流線型運(yùn)輸船有截然不同的阻力性能[6]，因此最好能夠根據(jù)絞吸船的實(shí)際線型確定挖泥作業(yè)時(shí)船體所受到的流載荷。分析作用在船體上的流載荷，對(duì)于保證絞吸船施工安全，提高作業(yè)能力至關(guān)重要[7]。在挖泥工況，受流載荷作用的有船體、定位樁和絞刀橋架。作用在橋架上的流載荷將通過(guò)船體傳遞到定位樁上，因此本文主要討論絞吸船船體和鉸刀橋架所受到的流載荷。應(yīng)用Fluent軟件中VOF模型分析來(lái)流攻角和水深吃水比對(duì)絞吸船水流力系數(shù)的影響。7025型絞吸船允許施工的設(shè)計(jì)工況條件為最大風(fēng)速15 m/s、最大流速2 m/s、最大波高1 m，波浪周期5 s，絞吸船船尾必須與波浪或水流的方向一致，挖寬約為80 m，擺角約66°[5]，因此絞吸船遭遇尾流作用時(shí)其來(lái)流攻角范圍約為-33°≤θc≤33°（挖深5 m，鋼樁位于船尾）。利用數(shù)值模擬得到的水流力系數(shù)可作為7025型絞吸船挖泥工況環(huán)境載荷中水流力系數(shù)的輸入依據(jù)，對(duì)施工設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 控制方程

假定船舶靜止不動(dòng)，水流勻速流過(guò)船體。將ox軸取在船體縱中剖面，指向船首，平行于水線面；oy軸與縱中剖面垂直，指向右舷；oz軸垂直向上為正。同時(shí)假定流體是不可壓縮的，任何流動(dòng)都要滿足質(zhì)量守恒方程：

和動(dòng)量方程

式中：ρ為流體密度；p為流體壓強(qiáng)；μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù)；ρg為重力；F 為外力項(xiàng)；V為流體速度。

自由液面采用VOF法模擬，體積分?jǐn)?shù)αq指單元內(nèi)第q相流體所占體積與該單元總體積之比。本文采用氣液兩相模擬，αq滿足如下方程：

可定義空氣為基本相，水為第二相，基本相的體積分?jǐn)?shù)方程不需要求解，而從式（4）得到：

定義αq=0.5為自由液面，流場(chǎng)中每個(gè)單元的流體密度ρ由式（5）確定。

每個(gè)單元內(nèi)的動(dòng)力黏性系數(shù)μ，與密度的定義一致。

設(shè)作用在船體上的流載荷在x方向的分量為Fx，y方向的分量為Fy，相對(duì)于重心的艏搖力矩為Mxy，則水流力系數(shù)可表示為[3]：

式中：L為船長(zhǎng)；T為吃水；ρw為水的密度；V為水流速度。

2 計(jì)算模型驗(yàn)證

取長(zhǎng)4 m，寬0.843 m，型深0.256 m，吃水0.243 m的某沉管實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，拖曳水池寬度? m，實(shí)驗(yàn)段水深0.322 m[8]。在數(shù)值模擬時(shí)取一半流場(chǎng)進(jìn)行分析，取計(jì)算域x=-6~10 m，y=0~3 m，z= -0.322~0.2 m。邊界條件設(shè)置為：x=-6 m處為壓力入口，x=10 m處為壓力出口，y=0及z= 0.2 m處為對(duì)稱邊界，在沉管表面、池壁y=3 m處及池底z=-0.322 m處均為壁面邊界。全流場(chǎng)采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，一半流場(chǎng)生成的網(wǎng)格總數(shù)為38.28萬(wàn)，選取RNG k-ε模型，在浮運(yùn)縱拖工況利用數(shù)值模擬得到的沉管管段模型靜水阻力曲線與模型試驗(yàn)結(jié)果的比較見(jiàn)圖1，由圖可知，兩者吻合良好。

圖1 沉管管段模型縱拖阻力曲線Fig.1Longitudinal towing resistance of an immersed tube element

3 數(shù)值模擬

取7025型絞吸船為研究對(duì)象進(jìn)行建模計(jì)算，其主尺度為：船長(zhǎng)66.5 m，型寬15.4 m，型深4 m，設(shè)計(jì)滿載吃水2.68 m，艏開(kāi)槽（長(zhǎng)×寬）24.5 m× 5 m，艉開(kāi)槽（長(zhǎng)×寬）12.6 m×4 m，船底艏部結(jié)構(gòu)向上傾斜，重心距船尾30.95 m，其工作水深為5~25 m，來(lái)流攻角定義為來(lái)流速度與x軸正向的夾角。

流體計(jì)算域x軸方向從艏、艉向上、下游各延伸2倍船長(zhǎng)，y軸方向從舷側(cè)左右方向各延長(zhǎng)2倍船長(zhǎng)，空氣域上界面距離水面為5 m。使用ANSYS中Design Model模塊建立模型并使用ICEM網(wǎng)格劃分軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對(duì)船體附近區(qū)域網(wǎng)格加密。采用速度入口（Velocity Inlet），壓力出口（Pressure Outlet）邊界條件，船體和海底采用壁面（Wall）邊界條件，空氣流體域上表面采用對(duì)稱（Symmetry）邊界條件。

在挖泥工況，受流載荷作用的除船體外、還有定位樁和絞刀橋架，作用在橋架上的水流力也將通過(guò)船體傳遞到定位樁上。絞吸船船體和橋架的幾何模型見(jiàn)圖2。

圖2 船體和橋架幾何模型Fig.2Geometric model of barge and ladder

7025型絞吸船的橋架外形為方柱狀，橋架面板上有許多開(kāi)孔，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建模時(shí)沒(méi)有考慮橋架面板上的開(kāi)孔，橋架面板上的開(kāi)孔會(huì)使作用在橋架上的水流載荷有所減小，因此參照文獻(xiàn)[9]，取折減系數(shù)0.75來(lái)考慮橋架面板上開(kāi)孔對(duì)橋架流載荷的影響。

4 結(jié)果分析

4.1 絞吸船船體水流力系數(shù)

取流速2 m/s，計(jì)算了絞吸船船體在0°~180°來(lái)流攻角范圍，3種水深d=5 m（d/T=1.866）、8.04 m（d/T=3）、16.08 m（d/T=6）對(duì)應(yīng)的流載荷，水流力系數(shù)曲線如圖3所示，其中艏搖力矩系數(shù)相對(duì)于重心。

圖3 艏艉開(kāi)槽船體上的水流力系數(shù)Fig.3Current forces coefficients on barge with notches at fore and aft

由圖3可知，由于絞吸船首部船底有一斜升角，使絞吸船遭遇頂流作用時(shí)的縱向流載荷小于尾流工況。在0°~180°來(lái)流攻角范圍內(nèi)，絞吸船船體的縱、橫向水流力系數(shù)、艏搖力矩系數(shù)隨著水深吃水比的增加均呈明顯下降趨勢(shì)。這表明，水深對(duì)流載荷影響很大，淺水會(huì)導(dǎo)致絞吸船所受流載荷增加。

水深吃水比d/T=3時(shí)非流線型絞吸船船體和VLCC隨來(lái)流攻角變化的水流力系數(shù)對(duì)比如圖4所示，其中艏搖力矩相對(duì)于船舯。

圖4 艏艉開(kāi)槽船體和VLCC流載荷比較Fig.4Comparison of current loads on barge with notches at fore and aft and on VLCC

由圖4可知，絞吸船船體和VLCC縱向水流力系數(shù)差距較大，這是由于7025型絞吸船采用非流線型設(shè)計(jì)，水流阻力大，而VLCC為流線型船，水流阻力小。絞吸船和VLCC橫向水流力系數(shù)和艏搖水流力系數(shù)變化規(guī)律一致。

4.2 橋架對(duì)水流力的影響

在挖泥工況，整個(gè)橋架幾乎都淹沒(méi)在水中，橋架對(duì)流載荷有較大影響。圖2所示幾何模型在5 m和16.08 m工作水深包含橋架在內(nèi)的水流力系數(shù)如圖5和圖6所示。

圖5 絞吸船流載荷系數(shù)（d=5 m）Fig.5Coefficients of current forces and moment on cutter suction dredger（d=5 m）

圖6 絞吸船流載荷系數(shù)（d/T=6，d=16.08 m）Fig.6Coefficients of current forces and moment on cutter suction dredger（d/T=6，d=16.08 m）

由圖5和圖6可知，隨著作業(yè)水深的增加，對(duì)橋架橫向水流力系數(shù)和艏搖力矩系數(shù)的影響較小，但橋架在橫剖面上的投影面積隨之增加，導(dǎo)致作用在橋架上的縱向水流力隨之增加。作業(yè)水深較大時(shí)作用在橋架的縱向水流力將大于船體上的水流力。因此，在施工作業(yè)中，要特別注意橋架產(chǎn)生的水流力隨水深的變化。

5 結(jié)語(yǔ)

挖泥工況需同時(shí)考慮風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷及定位樁、絞刀架、橫移鋼絲繩、絞刀等對(duì)絞吸船運(yùn)動(dòng)的影響。為了得到較為精確的結(jié)果，有必要利用絞吸船的實(shí)際線型確定作用在船體上的環(huán)境載荷。本文采用Fluent軟件中RNG k-ε模型對(duì)7025型絞吸船對(duì)不同來(lái)流攻角、不同水深吃水比時(shí)船體周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了橋架對(duì)流載荷的影響。主要結(jié)論如下：

1）絞吸船船體部分所受水流力系數(shù)大小與來(lái)流攻角及作業(yè)水深有關(guān)。橫向流載荷遠(yuǎn)大于縱向，淺水會(huì)導(dǎo)致橫向流載荷大幅增加。

2）傳遞到定位樁上的流載荷除來(lái)自船體之外、還有絞刀橋架。橋架在橫剖面上的投影面積隨水深而增加，導(dǎo)致作用在橋架上的縱向流載荷隨作業(yè)水深增加，甚至超過(guò)船體上的縱向水流力；作用在橋架上的橫向水流力和艏搖力矩隨作業(yè)水深變化的影響較小。

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Numerical simulation of current loads on cutter suction dredge

WANG Sheng-yong1,WANG Dong-jiao1*,JI Yong-zhi2
（1.School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong 510640, China;2.CCCC Guangzhou Dredging Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510221,China）

The CFD method was used to simulate the flow around the 7025 type cutter suction dredger at various angles of attack with the incoming flow.The relationship of the current force coefficients on the cutter suction dredger with current angle of attack and the water depth are obtained.It is shown that the water depth has great influence on the longitudinal current force of the ladder,but the influence on the lateral force and current yaw moment is relatively small.The conclusion can provide guidance for dredging operation of cutter suction dredger.

cutter suction dredger;current force coefficient;numerical simulation

U615.35

A

2095-7874（2017）05-0010-05

10.7640/zggwjs201705003

2016-11-19

2017-01-16

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014A020217001）

王勝勇（1991—），男，山西運(yùn)城人，碩士研究生，船舶與海洋工程專業(yè)。

*通訊作者：王冬姣，E-mail：djwang@scut.edu.cn