非對(duì)稱(chēng)雙體船片體構(gòu)型及阻力性能的數(shù)值研究

謝云平，袁雙雙，徐曉森，胡冬芳

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

非對(duì)稱(chēng)雙體船片體構(gòu)型及阻力性能的數(shù)值研究

謝云平，袁雙雙，徐曉森，胡冬芳

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

對(duì)于海上風(fēng)電雙體運(yùn)維船而言，興波阻力是其總阻力的重要組成部分。本文基于CFD技術(shù)對(duì)非對(duì)稱(chēng)雙體船進(jìn)行初步研究，通過(guò)改變雙體船左右片體角度以及改變單側(cè)片體肥瘦程度來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外片體排水體積差的目的2個(gè)方面來(lái)研究非對(duì)稱(chēng)雙體船的阻力性能，比較各方案的阻力，綜合考慮最終得出最優(yōu)方案，為今后雙體風(fēng)電運(yùn)維船的船型設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一個(gè)新的研究方向。

海上風(fēng)電；運(yùn)維船；非對(duì)稱(chēng)雙體船；CFD

0 引 言

近年來(lái)，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的迅速發(fā)展，風(fēng)電維護(hù)船的需求日益增大。雙體船被廣泛用于風(fēng)電維護(hù)船船型[1]，因?yàn)槠渚哂凶枇π阅芎?、甲板面積大、舒適性好、穩(wěn)性好、操縱性?xún)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但是雙體船片體間存在興波干擾，一般來(lái)講會(huì)增加附加干擾阻力。本文受三體船不對(duì)稱(chēng)型片體構(gòu)型方案的啟發(fā)[2]來(lái)研究雙體船不對(duì)稱(chēng)時(shí)阻力的性能，從通過(guò)改變雙體船左右片體角度以及單個(gè)片體肥瘦程度來(lái)實(shí)現(xiàn)片體內(nèi)外排水體積差的目的2個(gè)方面來(lái)研究非對(duì)稱(chēng)雙體船的阻力性能，為今后雙體風(fēng)電運(yùn)維船的發(fā)展提供一個(gè)新的研究方向。

1 運(yùn)維船主尺度及不對(duì)稱(chēng)方案

1.1 運(yùn)維船主尺度

本研究工作主要針對(duì)某風(fēng)電運(yùn)維船展開(kāi)進(jìn)行，其模型如圖1所示，其主要要素見(jiàn)表1。

1.2 運(yùn)維船不對(duì)稱(chēng)方案

1.2.1 左右片體呈一定角度的不對(duì)稱(chēng)方案

根據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船航行的環(huán)境和使用特點(diǎn)，本方案以某雙體風(fēng)電維護(hù)船為基本船型，通過(guò)改變2個(gè)片體之間的角度，并且保持船中處的型寬不變，從而生成左右片體呈一定角度的不對(duì)稱(chēng)方案，如表2所示，并在此基礎(chǔ)上研究各方案在波浪中的阻力性能。

1.2.2 單側(cè)片體內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)

本方案以某雙體風(fēng)電維護(hù)船為基本船型，在保證船體總排水量、浮心位置以及水線寬度不變的條件下，運(yùn)用NAPA軟件分別對(duì)船體的型線進(jìn)行修改以此來(lái)達(dá)到單個(gè)片體內(nèi)外排水比之差的目的（片體內(nèi)外排水量之差相對(duì)船體總排水量的比值），如圖3所示，利用Gambit進(jìn)行模型處理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究4種方案在波浪中的阻力性能。

表 1 某風(fēng)電運(yùn)維船主要要素Tab. 1 Parameters of the maintenance ship

表 2 某風(fēng)電運(yùn)維船片體旋轉(zhuǎn)角度Tab. 2 The rotation angle of the maintenance ship

表 3 內(nèi)外片體排水量之差Tab. 3 The difference between internal and external displacement

2 阻力數(shù)值方法研究

本文選取荷蘭代爾夫特大學(xué)Delft372雙體船船模進(jìn)規(guī)則波中的計(jì)算驗(yàn)證，模型如圖4所示，船模主尺度如表4所示。

表 4 Delft船模主尺度Tab. 4 Main scale of Delft372

2.1 計(jì)算域大小的設(shè)置

相關(guān)理論的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，計(jì)算域的大小應(yīng)根據(jù)船模的尺度從而控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)[4]，一方面，計(jì)算域的大小在船長(zhǎng)和吃水方向仍以船長(zhǎng)L的倍數(shù)為量度；另一方面，根據(jù)雙體船船寬船長(zhǎng)比一般單體船大的特點(diǎn)，計(jì)算域大小在船寬方向初步選取船寬的倍數(shù)為量度。一般計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)度應(yīng)為8～10倍船長(zhǎng)L，寬度則應(yīng)保證在2.5～3.0倍船長(zhǎng)L[5]。為了節(jié)省計(jì)算的時(shí)間成本，根據(jù)船型和流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，本文初步采用半模計(jì)算，模型縮尺比為1:10，

2.2 網(wǎng)格劃分

本文是用全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成器HEXPRESS來(lái)生成網(wǎng)格，其單元基本按笛卡爾坐標(biāo)方向排列，在物面附近網(wǎng)格被細(xì)化并投影到物面上，形成貼體網(wǎng)格，準(zhǔn)確描述物體外形。在計(jì)算域中的絕大部分區(qū)域，網(wǎng)格單元都接近于長(zhǎng)方體，網(wǎng)格質(zhì)量非常高，能達(dá)到很高的計(jì)算精度，并能很好地模擬粘性邊界層。本文計(jì)算雙體船在規(guī)則波中的阻力，考慮流場(chǎng)的流動(dòng)特性，因此各方案網(wǎng)格的劃分方法相同。

本文運(yùn)用Fine-Marine軟件對(duì)各方案的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以片體呈內(nèi)八2°為例，計(jì)算域和網(wǎng)格如圖5和圖6所示。

根據(jù)試驗(yàn)資料[3]，船模在一系列傅氏數(shù)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和在CFD下的仿真結(jié)果如表5和圖7所示。

表 5 各傅氏數(shù)下仿真值和實(shí)驗(yàn)值的大小Tab. 5 The simulation and experimental values with different Froude number

比較圖7中的2種方案，并且隨著傅氏數(shù)的變化仿真值與試驗(yàn)值具有相同的變化趨勢(shì)。從阻力角度來(lái)看，仿真值與試驗(yàn)值相比差別很小，阻力值的最大誤差均在7%以?xún)?nèi)。因此本文可以沿用該方法進(jìn)行雙體船的阻力仿真計(jì)算研究。

3 左右片體呈角度對(duì)阻力性能的研究

根據(jù)前面所選定的方案，本文選取當(dāng)Fr=0.546和Fr=0.729時(shí)分別對(duì)表2中各工況進(jìn)行阻力仿真計(jì)算，得出的結(jié)果如表6所示。

表 6 不同傅氏數(shù)情況下各方案阻力的大小Tab. 6 The resistance of each scheme in different Froude number

如圖8所示，當(dāng)Fr=0.546的時(shí)候，表6中方案1中片體向外旋轉(zhuǎn)（呈外八狀）各個(gè)角度，根據(jù)圖8所示，船體的阻力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，并且隨著角度的增大，船體興波阻力增加的幅度也越大。而方案2中片體向內(nèi)旋轉(zhuǎn)（呈內(nèi)八狀）各個(gè)角度后，根據(jù)圖表所示，船體在旋轉(zhuǎn)2°和4°的時(shí)候的興波阻力小于對(duì)稱(chēng)型片體的興波阻力尤以旋轉(zhuǎn)角度為2°的時(shí)候，船體阻力有明顯的減小，當(dāng)片體旋轉(zhuǎn)角度繼續(xù)增加，船體的興波阻力開(kāi)始大于對(duì)稱(chēng)型船體即0°時(shí)的興波阻力，并且由圖8總體趨勢(shì)看出，片體呈“內(nèi)八狀”時(shí)的興波阻力比呈“外八狀”時(shí)的阻力小，這是由于向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候片體間互相的興波干擾變小的緣故，當(dāng)Fr=0.729時(shí)，由圖8所知，船體的興波阻力始終呈增大趨勢(shì)，并且隨著角度的增加，增大的趨勢(shì)也變大，這是因?yàn)橛捎诤剿俚脑黾樱w間的興波干擾進(jìn)一步變大，興波阻力也隨之增加。

以上分析表明，片體的不對(duì)稱(chēng)構(gòu)型以及船體的航速對(duì)阻力的影響規(guī)律極其復(fù)雜，隨著航速的不同，影響的趨勢(shì)也不同，較為傾向性的結(jié)論是當(dāng)Fr=0.546的時(shí)候，片體旋轉(zhuǎn)2°，船體興波阻力最小并且在高航速階段時(shí)，船體的阻力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4 單個(gè)片體內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)對(duì)阻力性能的研究

選取Fr=0.546，F(xiàn)r=0.729分別對(duì)表3里各工況進(jìn)行阻力仿真計(jì)算。得出的結(jié)果如表7所示。

表 7 不同傅氏數(shù)情況下各方案阻力的大小Tab. 7 The resistance of each scheme in different Froude number

當(dāng)Fr=0.546時(shí)，表7中方案1中即內(nèi)瘦外肥的片體由圖9所知，在9%處的阻力大于原對(duì)稱(chēng)型船體阻力，當(dāng)排水比為3%，5%，7%的時(shí)候，船體的阻力小于原對(duì)稱(chēng)型阻力，并當(dāng)排水比之差為5%（見(jiàn)圖10）時(shí)，阻力有明顯的減小，而方案2中曲線所示，船體阻力較原對(duì)稱(chēng)型片體呈明顯的上升勢(shì)頭，這是由于內(nèi)肥外瘦的片體在水中相互干擾的作用變大，導(dǎo)致船體興波阻力增大的緣故。而當(dāng)Fr=0.729時(shí)，根據(jù)圖9所示，船體阻力的變化規(guī)律與Fr=0.546時(shí)幾乎一樣。

以上結(jié)果表明內(nèi)瘦外肥型片體的阻力小于內(nèi)肥外瘦型片體，并且在片體內(nèi)瘦外肥型片體的排水比之差為5%的時(shí)候，船體阻力明顯小于原對(duì)稱(chēng)型船體。

5 角度及片體肥瘦綜合因素對(duì)阻力的影響

由上述2個(gè)方案可知，當(dāng)雙體船在片體向內(nèi)旋轉(zhuǎn)2°呈內(nèi)八時(shí)以及單側(cè)片體左右排水比之差（內(nèi)瘦外肥）為5%的時(shí)候，為上述2個(gè)方案的最佳方案，阻力有明顯減小，本章節(jié)結(jié)合上述2個(gè)方案綜合考慮，選取Fr=0.546，F(xiàn)r=0.729分別對(duì)單側(cè)片體的排水比之差為5%（內(nèi)瘦外肥）并且向內(nèi)旋轉(zhuǎn)2°呈內(nèi)八形狀時(shí)的情況下進(jìn)行阻力仿真計(jì)算，得出的結(jié)果如圖10所示，當(dāng)Fr=0.546時(shí)阻力為12.96 N，小于上述兩方案的最優(yōu)解，而當(dāng)Fr=0.729時(shí)阻力為17.97 N，參考表6和表7所知，阻力大小介于上述兩方案最優(yōu)解之間。

以上分析表明，由于船體特殊的構(gòu)型，在不同航速下對(duì)阻力的影響規(guī)律極其復(fù)雜，隨著航速的不同，影響的趨勢(shì)也不同，這是由于在不同航速下，片體間相互的興波干擾也會(huì)隨著航速發(fā)生不規(guī)律的變化。由于運(yùn)維船在工作情況下，航速會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，所以即使本方案在Fr=0.546時(shí)，阻力為各方案的最優(yōu)解，但是由于航速的提高，阻力并非是該航速情況下的最優(yōu)解。較之片體為內(nèi)瘦外肥時(shí)的情況，并非是最佳方案。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文基于CFD技術(shù)，采用FINE/Marine軟件探究了非對(duì)稱(chēng)雙體船不同片體構(gòu)型情況下阻力研究，得出以下結(jié)論：

1）在片體角度對(duì)阻力的影響方案中，在Fr=0.546時(shí)，片體角度為向內(nèi)旋轉(zhuǎn)2°時(shí)的阻力性能最優(yōu)，但在各個(gè)航速下，該方案并非是最優(yōu)解。

2）單側(cè)片體內(nèi)外不對(duì)稱(chēng)對(duì)阻力的影響的方案中，方案1中（片體為內(nèi)瘦外肥）當(dāng)片體內(nèi)外排水比之差為5%的時(shí)候，船體的阻力較之對(duì)稱(chēng)型船體有明顯的減小，可視為不對(duì)稱(chēng)雙體船片體構(gòu)型的最佳方案。

3）綜合上述2個(gè)方案考慮研究的情況下，雖然在Fr=0.546及Fr=0.729時(shí)，船體的阻力均小于對(duì)稱(chēng)型船體時(shí)的阻力，且當(dāng)Fr=0.546時(shí)為各個(gè)方案的最優(yōu)解，不過(guò)隨著航速增加，在Fr=0.729時(shí)阻力大于內(nèi)瘦外肥型片體，并非是最優(yōu)，結(jié)合運(yùn)維船的工作情況及實(shí)際建造情況，本方案并非為最佳方案。

本文提出的非對(duì)稱(chēng)雙體船阻力優(yōu)化對(duì)解決工程實(shí)際問(wèn)題有一定的借鑒作用；對(duì)雙體船片體構(gòu)型的研究為風(fēng)電維護(hù)船的船型優(yōu)化提供了一定的參考價(jià)值。同時(shí)，本文僅對(duì)非對(duì)稱(chēng)雙體船的阻力進(jìn)行了初步研究，對(duì)于片體在波浪中的耐波性以及水動(dòng)力響應(yīng)方面還有待進(jìn)一步研究。

張秀萍. 海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船船型及相關(guān)性能研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江

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Asymmetric catamaran hull configuration and the relevant research of resistance performance

XIE Yun-ping, YUAN Shuang-shuang, XU Xiao-sen, HU Dong-fang
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

For offshore wind power catamaran maintenance ship, wave resistance is an important part of the total resistance. In this paper, based on the CFD technology to a preliminary study of asymmetric catamaran, by changing the angle about catamaran hull and change one piece body lean degree to achieve the purpose of the drainage volume difference inside and outside of block two aspects to study the resistance, comparing the resistance of the programs, finally it is concluded that the optimal solution,which provide a new research direction for the future offshore wind power catamaran maintenance ship design and optimization.

offshore wind；maintenance of the ship；asymmetric catamaran；CFD

U661.1

A

1672 – 7649(2017)08 – 0028 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.006

2016 – 09 – 07

謝云平(1964 – )，男，研究員，研究方向?yàn)榇霸O(shè)計(jì)。