LNG船靠離泊操縱運動數(shù)值模擬分析

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(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設(shè)計院,上海 201203)

LNG船靠離泊操縱運動數(shù)值模擬分析

鄭坤1，時光志1，張雨新2，周毅1，陸晟2

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設(shè)計院,上海 201203)

基于CFD方法對廣西防城港內(nèi)小型LNG船自力靠離泊操縱運動進(jìn)行數(shù)值模擬，分析風(fēng)、浪、流作用下靠離泊過程中船體的運動響應(yīng)。數(shù)值計算結(jié)果表明：該型LNG船能夠通過自力實現(xiàn)靠離泊操縱。靠泊運動中，當(dāng)受到離岸方向風(fēng)、浪、流作用時，可以在轉(zhuǎn)艏過程中通過右槳產(chǎn)生推力，減小船體漂離碼頭的距離，當(dāng)風(fēng)、浪、流為攏岸方向時，可以將右舵轉(zhuǎn)至180°，使右槳產(chǎn)生拉力，以防止船體向碼頭移動時速度過大。在離泊時，為了安全考慮，在攏岸方向風(fēng)、浪、流作用時，船舶在轉(zhuǎn)艏前需要與岸邊保持較大距離。

靠離泊;操縱運動;數(shù)值模擬;CFD

船舶操縱運動的數(shù)值模擬方法大多基于上世紀(jì)70年代日本船舶操縱運動數(shù)學(xué)模型研究小組(mathematical modeling group，MMG)開發(fā)的分離式模型，該計算模型將螺旋槳推力、舵力、錨鏈力通過水動力系數(shù)加入到船舶運動方程中，同時將環(huán)境載荷，如風(fēng)、浪、流對船體作用力，通過一系列系數(shù)添加到運動方程中。MMG模型比較簡單實用，因此在船舶操縱運動問題中已有較多的應(yīng)用[1-3]。但如何比較準(zhǔn)確地獲得MMG模型中各個水動力系數(shù)一直是限制MMG模型應(yīng)用的難點。近年來，計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)為操縱性數(shù)值模擬提供了另一種更加精細(xì)地描述船舶操縱運動的預(yù)報工具。CFD直接對船體運動流場進(jìn)行求解，不需要做過多的簡化，也不需要通過經(jīng)驗公式或者試驗來確定水動力系數(shù)，能夠比較真實地模擬船、槳、舵之間流動的相互干擾過程，因此，在一些復(fù)雜的操縱性問題中得到較廣泛的應(yīng)用，如多自由度回轉(zhuǎn)[4]、限制水域的靠離泊[5]、波浪中橫甩問題[6]等。

擬對一小型LNG船在廣西防城港漁澫港區(qū)內(nèi)的靠離泊問題進(jìn)行數(shù)值模擬研究，該船為3萬m3LNG船，為國內(nèi)首艘搭載全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)的小型LNG船，由于該船頻繁進(jìn)出防城港，其運營模式將對國內(nèi)中小型LNG的水上運輸有重要的參考價值[7-8]?？紤]到該船操縱性良好的特點，為降低航運成本，對該船在港區(qū)內(nèi)的依靠自力實現(xiàn)靠離泊問題進(jìn)行分析。船體運動過程基于CFD進(jìn)行計算，通過對不同環(huán)境條件下靠泊和離泊過程進(jìn)行模擬，分析3萬m3LNG船在防城港內(nèi)的靠離泊能力，為防城港駕引人員的實際操作提供參考。

1 工作水域概況

圖1 廣西防城港漁澫港區(qū)相關(guān)布置示意

工作水域為廣西防城港漁澫港區(qū)，見圖1。目前，港區(qū)已建成泊位40個，其中萬t級以上泊位25個，5萬t級以上泊位15個，最大設(shè)計靠泊能力20萬t級，碼頭岸線總長7.745 km，年通過能力3 701萬t。分析選擇的泊位為第5作業(yè)區(qū)的501號泊位，位于漁澫港區(qū)第五作業(yè)區(qū)的南部，北側(cè)為規(guī)劃的漁澫港區(qū)第五作業(yè)區(qū)502號泊位，南側(cè)為已建成的廣西東灣5 萬t級液體化工碼頭，與中電防城港電廠隔江相望。碼頭按8萬m3LNG船和5萬m3LPG船設(shè)計，兼靠3萬m3LNG船。營運貨種為LNG和LPG等液體散貨[9]。

回旋水域布置在碼頭前方，寬度為80 m?；匦虬?萬m3LNG 船和5萬m3LPG 船設(shè)計，由于碼頭前方有一條規(guī)劃航道和一條防城港電廠煤碼頭航道，為了減少回旋水域?qū)降赖挠绊?，回旋水域采用橢圓形布置，長軸取為600 m，短軸取為480 m?？紤]到進(jìn)港航道水深現(xiàn)狀，回旋水域底標(biāo)高按照現(xiàn)有航道底標(biāo)高取值為-10 m。回旋水域尺度可滿足3萬m3LNG船不乘潮進(jìn)港，同時滿足5萬m3LPG船乘潮不滿載進(jìn)港。

2 船型及計算工況

3萬m3LNG船的船型主尺度見表1。船體幾何形狀見圖2，艏部裝有1個艏側(cè)推進(jìn)器，側(cè)推孔直徑為2.25 m，艏側(cè)推最大推力為196 kN，功率為1 500 kW。為簡化計算，在數(shù)值模擬中沒有建立艏側(cè)推的螺旋槳模型，而是將側(cè)推力直接施加到船體上。艉部為雙吊艙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，螺旋

槳為5葉槳定距槳，直徑為3.7 m，無導(dǎo)流管。舵的最大回轉(zhuǎn)速度為2.0 r/min。

表1 船型主尺度 m

圖2 船體幾何形狀(鍘視)

根據(jù)港區(qū)自然條件，確定4個模擬工況，風(fēng)速均為13.8 m/s，對應(yīng)蒲氏6級風(fēng)，具體環(huán)境參數(shù)見表2。分別計算每種工況滿載靠泊和壓載離泊2種情況。

表2 計算工況

3 數(shù)值模擬方法

船體運動和螺旋槳計算采用軟件商業(yè)CFD(computational fluid dynamics)軟件STAR-CCM+進(jìn)行。由于操縱過程中船體運動范圍較大，因此，采用重疊網(wǎng)格技術(shù)(over set)處理船體運動。為了減小計算量，計算中將螺旋槳簡化為虛擬盤。虛擬盤法根據(jù)給定的螺旋槳敞水?dāng)?shù)據(jù)對螺旋槳盤附近的水流施加體積力，從而產(chǎn)生推力。該方法在船、槳、舵相互影響的研究方面已有較多應(yīng)用[10-11]，并表現(xiàn)出較高計算效率和令人滿意的計算精度，是研究船、槳相互干擾問題中一種常用的處理方法。此外，由于港區(qū)內(nèi)波浪較小，難以在CFD模擬中精確模擬波浪的演化，因此，波浪力是通過勢流軟件Hydrostar進(jìn)行計算得到的，然后帶入到CFD求解過程中，在CFD計算過程中根據(jù)船體與波浪的角度，插值得到每個時間步船體受到的波浪力。這種處理方法的主要優(yōu)點是能夠較為合理地簡化計算問題，在基于MMG模型的數(shù)值模擬中應(yīng)用較多。Skejic和MFaltinsen[12]通過研究認(rèn)為船舶在波浪中的慢漂運動主要是由二階波浪力引起的，一階波浪力對其操縱運動影響并不顯著，因此，在靠離泊計算時只考慮二階波浪力。由于船舶靠離泊過程的主要特點是低速、大漂角，因此計算時船舶運動主要考慮縱向和橫向平移運動以及艏搖3個自由度。

3.1 控制方程

計算中控制方程為Reynolds平均Navier-Stokes方程，即RANS方程，湍流模型采用SSTk-ω兩方程湍流模型，自由面基于VOF(volume of fluid)方法求解。對流項離散采用二階精度的迎風(fēng)格式。

控制方程包括連續(xù)性方程和動量守恒方程，對于不可壓縮流體為

(1)

(2)

式中：i,j為變量在坐標(biāo)系中第i和j方向的分量；p為壓力，u為速度矢量，ρ為流體密度，f為質(zhì)量力。

SSTk-ω模型湍動能和湍動耗散率的求解方程為

(3)

(4)

VOF控制方程為

(5)

式中：φ為流體相體積分?jǐn)?shù)。

3.2 計算域及網(wǎng)格劃分

計算域取為長方體，大小為：船前向前延伸1.0Lpp，2側(cè)和底部向外延伸1.5Lpp。底部為壁面邊界條件，4周各面為來流和壓力出口，具體設(shè)置根據(jù)各個工況實際水流方向確定。計算網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)6面體網(wǎng)格，采用STAR-CCM+中自帶網(wǎng)格生成器Trimmer生成，計算網(wǎng)格見圖3。

圖3 計算域網(wǎng)格

為更好地計算船體附近的流動特征，在船體表面生成了邊界層網(wǎng)格，同時對船體表面以及船底與水底之間流場進(jìn)行了網(wǎng)格加密，見圖4。

圖4 船體表面網(wǎng)格

為了更好地捕捉水面興波，對靜水面附近網(wǎng)格在高度方向進(jìn)行加密。為解決船體大幅度運動帶來的動邊界問題，采用重疊網(wǎng)格進(jìn)行處理，計算中生成2套網(wǎng)格：船體附近區(qū)域和背景網(wǎng)格。船體附近網(wǎng)格隨船體做浮體運動，背景網(wǎng)格僅作平移運動，平移速度等于船體的移動速度。這樣既保證了船體附近的網(wǎng)格質(zhì)量，同時避免使用過大的計算域。此外，為保證船體旋轉(zhuǎn)后周圍流場的計算精度，在船體旋轉(zhuǎn)區(qū)域范圍內(nèi)對網(wǎng)格進(jìn)行加密。計算網(wǎng)格總數(shù)為330萬，其中船體部分網(wǎng)格為185萬，背景區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為145萬。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 靠泊過程數(shù)值模擬

由圖1可見，船舶靠泊操作過程大體程序是先將船駛?cè)牖剞D(zhuǎn)區(qū)中心附近，然后開始向左舷側(cè)做轉(zhuǎn)艏操作，當(dāng)轉(zhuǎn)至船體舷側(cè)與碼頭平行時，再通過動力定位能力逐漸平移至碼頭，實現(xiàn)靠泊。數(shù)值模擬主要關(guān)注回轉(zhuǎn)區(qū)調(diào)頭過程。計算初始時刻假定船體已駛?cè)牖剞D(zhuǎn)區(qū)，航速為0，左舵已轉(zhuǎn)至90°位置，左側(cè)螺旋槳開始工作，轉(zhuǎn)速為90 r/min。右槳和右舵的操作需要根據(jù)港內(nèi)風(fēng)、浪、流的方向和大小而定，在實際靠泊過程中駕駛員依靠經(jīng)驗結(jié)合港區(qū)環(huán)境和船體運動速度進(jìn)行實時調(diào)整。這種交互式的操縱策略難以數(shù)值模擬，因此采用一種簡化的操縱策略?？紤]到工況1和工況3中，風(fēng)、浪、流為離岸方向，在回轉(zhuǎn)過程中需要右槳提供推力，因此右舵為0°，右槳在船頭指向碼頭方向時開始工作，將船體推向碼頭，具體工作參數(shù)見表3。

表3 靠泊過程中右側(cè)螺旋槳工作規(guī)律

相反，在工況2和工況4中，風(fēng)、浪、流為攏岸方向，這時需要右槳提供拉力幫助船體定位，因此右舵處于180°，螺旋槳產(chǎn)生向后的拉力防止船體向碼頭方向產(chǎn)生過大的運動速度。需要說明的是，這種操縱控制策略不是最優(yōu)的，但通過這種簡單的操縱控制得到的船體靠泊運動響應(yīng)可以為實際駕引人員提供參考。

船體的運動軌跡如圖5所示。

圖5 靠泊時船體運動軌跡(時間間隔為30 s，虛線為示意軌跡)

由圖5可見，船舶能夠在回轉(zhuǎn)區(qū)通過自力完成回轉(zhuǎn)運動，船體移動距離較小。風(fēng)、浪、流對船體艏搖角速度影響不大，對船體的位移有一定的影響。在工況1和工況2中，通過右槳的配合，船體轉(zhuǎn)艏后所處位置較為合理。在工況4中，由于右槳工作時間較短，船體轉(zhuǎn)艏后向回轉(zhuǎn)區(qū)西側(cè)偏移一定距離，給后面的動力定位平移至碼頭增加了難度，因此實際操作中，應(yīng)當(dāng)較早啟動右槳。

4.2 離泊過程數(shù)值模擬

由于碼頭前面水域較小，航道中心線離碼頭橫向距離較大，因此船舶離港時需要先通過艏側(cè)推和尾推將船體平移至離碼頭一段距離，然后開始轉(zhuǎn)艏操作。這里主要模擬轉(zhuǎn)艏過程中船體的運動情況。由于港口航道與碼頭的角度約為72°，所需回轉(zhuǎn)角度較靠泊時小，因此，在計算離泊時沒有開啟右槳，僅通過左槳和艏側(cè)推實現(xiàn)離泊操作。計算得到的船體運動軌跡見圖6。

圖6 離泊時船體運動軌跡(時間間隔為15 s，虛線為示意軌跡)

由圖6中可見，水流對船體操縱運動影響較大，不同工況下船體偏移距離有較大區(qū)別，在工況1和工況3中水流向離岸方向，船體不需要離泊較遠(yuǎn)即可進(jìn)行轉(zhuǎn)艏操作，但對于攏岸風(fēng)、浪、流作用時，如工況4，風(fēng)浪流向船施加碼頭方向力，因此船體需要平行離開碼頭較遠(yuǎn)距離再開始轉(zhuǎn)艏操作。整體上看，船舶能夠依靠自力安全離泊。

5 結(jié)論

從數(shù)值計算結(jié)果看，在右槳和右舵的輔助配合下，船舶能夠比較好地完成靠離泊運動。相對來講，靠泊過程所需時間較長，受環(huán)境影響較大。為更好地控制船體與碼頭之間的橫向距離，當(dāng)風(fēng)、浪、流為離岸方向時，可以通過右槳產(chǎn)生推力，減小船體漂離碼頭的距離；當(dāng)風(fēng)、浪、流為攏岸方向時，可以將右舵轉(zhuǎn)至180°，使右槳產(chǎn)生拉力，以防止船體向碼頭移動時速度過大。在離泊操縱過程中，船體轉(zhuǎn)艏前需要與碼頭保持一定的安全距離，在攏岸方向風(fēng)、浪、流作用時，所需的安全距離較大。

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Numerical Investigation of Maneuvering Behavior of a LNG Carrier during Berthing and Departing

ZHENGKun1,SHIGuang-zhi1,ZHANGYu-xin2,ZHOUYi1,LUSheng2

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China;2.Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute, Shanghai 201203, China)

Numerical simulations of berthing and departure of a small LNG ship were carried out based on CFD method. The maneuvering behaviors of ship interacting with wind, wave and tide, during berthing and departing were analyzed. Numerical results showed that the computed ship is capable of berthing and departing by itself. When direction of wind, wave and tide is offshore, right side propeller should work, imposing thrust on the ship. The right side propeller needs pull the ship to prevent a large velocity of ship when the wind, wave and tide come alongside shore. During departing, ship should move offshore a large distance before turning when the wind, wave and tide direct shore.

berthing and departing; maneuvering; numerical simulation; CFD

U661.33

A

1671-7953(2017)05-0048-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.013

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

鄭坤(1987—)，男，工學(xué)碩士，助理工程師

研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造