海上三體風(fēng)電維護(hù)船船型方案及阻力性能研究

楊鈴玉，杭 岑

(1.上海杉達(dá)學(xué)院 滬東工學(xué)院，上海 201209；2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

海上三體風(fēng)電維護(hù)船船型方案及阻力性能研究

楊鈴玉1，杭 岑2

(1.上海杉達(dá)學(xué)院 滬東工學(xué)院，上海 201209；2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

在分析維護(hù)船使用及性能要求的基礎(chǔ)上，確立了三體船型方案。在單體船基礎(chǔ)上根據(jù)側(cè)體體積比的不同確定幾組不同的三體船方案，對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行阻力數(shù)值仿真分析，同時(shí)還對(duì)三體船主側(cè)體的干擾阻力進(jìn)行探討，最終得出三體維護(hù)船合適的體積比構(gòu)成，從而為海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船船型設(shè)計(jì)奠定一定的基礎(chǔ)。

海上風(fēng)電維護(hù)船；船型方案；三體船側(cè)體體積比例；阻力性能

0 引言

在可再生能源中，風(fēng)力發(fā)電是除了水能源之外技術(shù)最為成熟并且具有很大開發(fā)價(jià)值的發(fā)電方式。海上風(fēng)力發(fā)電近年來得到了比較多的關(guān)注，發(fā)展較快。由于海上風(fēng)電場(chǎng)會(huì)受到風(fēng)浪和潮汐的影響，因此針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)出性能良好的船型以提高維護(hù)人員的安全性能顯得尤其重要，同時(shí)性能優(yōu)良的船型也能很好地完成維護(hù)船的任務(wù)從而提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率。

現(xiàn)代高速三體船具有良好的性能優(yōu)點(diǎn)。三體船由1個(gè)主體和2個(gè)側(cè)體組成，其船體的長寬比較大，船形較瘦長，有利于減小興波阻力。三體船船型的側(cè)體一般位于主體的兩側(cè)，長度遠(yuǎn)小于主體長度，且排水量也較小[1]。跟單體船相比，三體船在高速航行時(shí)能夠大大減小興波阻力，耐波性能和橫搖性能比單體船好，且三體船由于兩邊多了2個(gè)側(cè)體，使得甲板面積變得較為寬敞，為設(shè)備的布置提供了充足的空間[2]。跟雙體船相比，高速三體船具有良好的耐波性，可避免雙體船的扭搖和急搖，并可以減小縱搖和升沉。因此，從性能角度考慮，將三體船船型作為風(fēng)電維護(hù)船型能夠很好地完成維護(hù)任務(wù)從而減少維護(hù)成本。

1 船型方案

三體船的船型研究主要包括側(cè)體的主尺度的選擇、側(cè)體位置的優(yōu)化與側(cè)體排水體積比例確定以及側(cè)體船型優(yōu)化等。一般三體船的主體和側(cè)體均為長寬比很大的細(xì)長體，側(cè)體排水體積不超過主體排體積的10%，因此對(duì)于主側(cè)體的相對(duì)大小目前研究不是很多。本文所研究的三體船側(cè)體排水體積的比例是在單體船的基礎(chǔ)之上將總排水量控制不變，采用不同的主側(cè)體大小比例來衍生出三體船型，同時(shí)本文還對(duì)主側(cè)體的不同位置進(jìn)行研究，探討出何種比例分配以及位置組合能夠使得三體船型的阻力性能最佳，為三體船的設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

1.1單體船基本船型

由于目前三體船型資料公開發(fā)表的較少，因此本文在確定三體船型的主要要素時(shí)參照的是某22 m單體船，其主要參數(shù)如下：

垂線間長LPP

19.0 m

設(shè)計(jì)水線長LWL

20.0 m

型寬B

4.0 m

型深D

2.5 m

設(shè)計(jì)吃水T

1.2 m

設(shè)計(jì)排水量Δ

44 t

該單體船型船體采取的是圓舭線型，在船型設(shè)計(jì)軟件NAPA中所生成的船體模型如圖1所示。

1.2三體船主要要素

為了提高甲板面積，增加三體船的耐波性能，將三體船的長寬比適當(dāng)增加，參照22 m單體船來確定三體船的主要要素。

1.2.1主體水線長LWL1和船寬B1

為了保證三體船主體的尺度和單體船相同，參照單體船的主尺度，三體船船長LWL1=20 m，船寬B1=4 m。

1.2.2主體型深D1和吃水d1

同樣參照單體船的主尺度，三體船的主體型深D1=4 m，吃水d1=1.2 m。

1.2.3側(cè)體水線長LWL2和側(cè)體船寬B2

根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)資料可知，側(cè)體水線長一般占主體水線長度的30%～45%[2]?？紤]到所設(shè)計(jì)三體船的功能及使用要求，取較長的側(cè)體水線長，使得三體風(fēng)電維護(hù)船有較大的甲板面積，所以暫取LWL2=0.375LWL1=7.5 m。

三體船的主體和側(cè)體寬度比例在0.2～0.4左右[3-5]，主體寬度B1=4 m，暫定B2/B1=0.34；側(cè)體寬度為B2=1.36 m，取整為B2=1.4 m。

1.2.4側(cè)體吃水d2

根據(jù)側(cè)體排水體積的不同，側(cè)體的吃水也隨之變化。

1.2.5主側(cè)體的縱向間距l(xiāng)和橫向間距b

側(cè)體的不同位置對(duì)于阻力及耐波性能的影響較為明顯，不同的位置可能會(huì)讓三體船的性能產(chǎn)生較大的影響。

本文所設(shè)計(jì)的三體風(fēng)電維護(hù)船考慮到建造的便捷等因素，將縱向位置視為定值即保持側(cè)體的艉封板與主體艉封板齊平。

連接橋的長度過長將會(huì)導(dǎo)致船體強(qiáng)度的問題，過短則會(huì)造成穩(wěn)性不足。因此，參照三體船的資料將連接橋的長度l定為1.35 m，橫向間距b定為4.5 m。

1.2.6排水量Δ

將三體船總排水量控制和單體船的排水量一致，Δ=44 t，側(cè)體排水量為5.3 t,側(cè)體排水體積占據(jù)總排水體積的比例為12%。

1.3三體船幾何模型的建立

根據(jù)三體船的尺度，側(cè)體排水體積占總排水體積的不同比例確定4組方案進(jìn)行討論:方案1的比例為9%,方案2的比例為12%,方案3的比例為15%，方案4的比例為18%。

三體船主體和側(cè)體的橫剖線形狀均采用的是圓舭型，側(cè)體對(duì)稱布置在主體兩側(cè)，運(yùn)用船舶設(shè)計(jì)軟件NAPA軟件對(duì)船體進(jìn)行型線設(shè)計(jì)。本文以方案2為例，所建模型如圖2所示。

2 阻力數(shù)值仿真

將NAPA中所建的三體維護(hù)船模型導(dǎo)入至CFD軟件包FINE-Marine中進(jìn)行阻力數(shù)值仿真計(jì)算，探究主側(cè)體的相對(duì)大小以及位置組合對(duì)于阻力性能的影響。

2.1仿真方法

將計(jì)算模型導(dǎo)入至CFD軟件之后首先需要?jiǎng)澏ㄓ?jì)算模型的計(jì)算區(qū)域。計(jì)算域的選取既需要保證對(duì)于流場(chǎng)信息的捕捉又需要降低網(wǎng)格數(shù)量，減少計(jì)算時(shí)間。本文將設(shè)計(jì)船按1∶10的縮尺比縮小為船模，并采取一半船模進(jìn)行計(jì)算，以減少網(wǎng)格數(shù)量從而縮短計(jì)算的時(shí)間。通過對(duì)流場(chǎng)分析并參考相關(guān)文獻(xiàn)[4]，本船模的計(jì)算區(qū)域選取的尺寸為(10×2.5×2)L，水池入口距船首2L，水深1.25L。L為船長，本文所用L尺寸為水線長。

計(jì)算區(qū)域選擇好之后就需要進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，從而進(jìn)行邊界條件的設(shè)置。網(wǎng)格劃分在模塊HEXPRESS中完成。本文中網(wǎng)格的選擇均為六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在該模塊中，對(duì)于模型的網(wǎng)格劃分首先進(jìn)行初始網(wǎng)格的生成，再對(duì)該網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化劃分。以方案2的船模為例，最終生成的計(jì)算區(qū)域以及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

將生成好的網(wǎng)格文件保存之后可以進(jìn)行邊界條件的設(shè)置。邊界條件的選取應(yīng)該盡可能地模擬實(shí)際情況。本文所設(shè)置的邊界條件主要有：水池入口處采用速度入口；設(shè)置為船模的設(shè)計(jì)航速的速度場(chǎng)；出口處采用壓力出口；船體、池壁和頂部以及底部均采用壁面條件；船模的對(duì)稱面采用對(duì)稱邊界條件。邊界條件的設(shè)置如圖4所示。

將22 m單體船的數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與理論值進(jìn)行比較。在縮尺比為10，實(shí)船速度為20 kn時(shí)，運(yùn)用CFD計(jì)算仿真分析得到的單體船船模阻力F=21.585 N。通過圓舭艇阻力圖譜[5]換算成實(shí)船阻力FS=37.27 kN。同時(shí)運(yùn)用圓舭艇阻力圖譜對(duì)該單體船進(jìn)行阻力理論計(jì)算[5]，得到的阻力理論值F=39.49 kN，與CFD數(shù)值仿真計(jì)算換算成的實(shí)船阻力37.27 kN相差不大，認(rèn)為該數(shù)值仿真分析方法中的計(jì)算域的選擇、網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)置適合于該類船型，可以將該方法運(yùn)用在以單體船的排水量的不同分配下的三體船上進(jìn)行數(shù)值仿真分析來預(yù)報(bào)船舶阻力。

2.2三體船阻力仿真

2.2.1不同排水體積之比方案的阻力仿真計(jì)算

在排水量一定的單體船基礎(chǔ)之上，將總排水量按照側(cè)體不同比例的大小進(jìn)行分配衍生出來的四種不同主側(cè)體大小的三體船方案：方案1為側(cè)體排水體積占總排水體積的9%，方案2的體積比為12%，方案3的體積比為15%，方案4的體積比為18%。運(yùn)用上述方法進(jìn)行阻力數(shù)值仿真計(jì)算，在縮尺比為10，實(shí)船設(shè)計(jì)航速20 kn時(shí)的船模阻力見表1。

表1 不同體積比方案下船模阻力

通過計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)，在側(cè)體排水體積占總排水體積的9%～12%時(shí)，三體船阻力數(shù)值較?。辉趥?cè)體排水體積占總排水體積為15%時(shí)阻力數(shù)值最大。

2.2.2不同橫向間距下方案的阻力仿真計(jì)算

通過對(duì)側(cè)體排水體積占總排水體積的不同比例下的三體船方案的阻力性能研究可知，在比例為9%～12%時(shí)，三體船的阻力性能較優(yōu)?？紤]到體積比大些可以使三體船的主甲板面積較大，本文對(duì)位置研究時(shí)所采取的體積比為12%。

三體船由于側(cè)體的引入，使得阻力較為復(fù)雜，合理的主側(cè)體的組合位置能夠產(chǎn)生有利的阻力干擾，使得阻力性能優(yōu)良。在保持縱向位置不變，即主側(cè)體保持艉封板齊平的位置下根據(jù)不同橫向位置確定了4組不同方案，各方案下的參數(shù)說明情況見表2。

對(duì)不同方案下的三體船船模進(jìn)行阻力數(shù)值仿真分析計(jì)算結(jié)果見表3。

通過計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主側(cè)體的艉封板保持齊平，橫向間距為101.25%B時(shí)，三體船阻力數(shù)值最小，能夠產(chǎn)生有利干擾。

表2 不同橫向位置下各方案的參數(shù)說明

注：此處位置研究中的第一個(gè)位置方案下的體積比和前文中的方案2中的要素一樣，因此統(tǒng)一稱為方案2。

表3不同橫向間距下的船模阻力

3 干擾阻力探討

三體船由于側(cè)體的引入，使得主體和側(cè)體之間存在著干擾阻力。上文對(duì)于主側(cè)體的不同大小以及橫向位置的不同進(jìn)行探討，得出一個(gè)合適的體積比以及橫向間距使得三體船的阻力相對(duì)較小。對(duì)于側(cè)體的相對(duì)大小是否會(huì)對(duì)干擾阻力產(chǎn)生影響，本文也作出了相應(yīng)的研究。將上文中的3組不同比例方案下的三體船主側(cè)體分別進(jìn)行阻力性能研究，運(yùn)用CFD軟件FINE-Marine對(duì)3組不同方案的三體船模進(jìn)行阻力性能分析，在縮尺比為10，實(shí)船設(shè)計(jì)航速20 kn時(shí)探討不同的側(cè)體大小對(duì)于干擾阻力的影響。3組方案下船模的主側(cè)體積分項(xiàng)阻力見表4。

表4 3組方案下船模的主側(cè)體分項(xiàng)阻力

通過計(jì)算分析可知，在側(cè)體排水體積占總排水體積的12%，即在單體船基礎(chǔ)之上將12%的排水體積分配給側(cè)體形成的三體船并且主側(cè)體的艉封板保持齊平，橫向間距為101.25%B=4.05 m時(shí)主側(cè)體之間能夠形成有利干擾。

4 結(jié)論

本文經(jīng)過比較分析確定采用三體船型作為海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船船型，經(jīng)初步分析研究得出以下結(jié)論：

(1)三體船型是目前較新的船型，具有寬大的甲板、優(yōu)良的阻力及耐波性能，能夠完成海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船的維護(hù)工作，因此選用三體船型作為維護(hù)船型能夠很好地完成海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)行與維護(hù)任務(wù)。

(2)將22 m的單體船運(yùn)用CFD進(jìn)行阻力仿真分析，所得結(jié)果與理論值相比，結(jié)果較為接近，表明運(yùn)用CFD數(shù)值仿真分析計(jì)算時(shí)所劃分的流域大小、網(wǎng)格劃分以及邊界條件的設(shè)置合理，能夠用來預(yù)報(bào)三體船型的阻力性能。

(3)由于三體船目前實(shí)船資料較少，對(duì)于三體船的設(shè)計(jì)造成很大不便，因此本文在單體船基礎(chǔ)上，通過合適的側(cè)體體積比例以及不同的橫向間距產(chǎn)生幾組不同的三體船型方案，并根據(jù)所確定的主要要素進(jìn)行型線建模，通過阻力數(shù)值仿真分析得出9%～12%比例下，且橫向間距為101.25%B時(shí)的三體船型方案阻力數(shù)值較優(yōu)。

(4)在單體船基礎(chǔ)上，通過側(cè)體體積的不同比例分配所得出的3組三體船方案，將主體和側(cè)體分別進(jìn)行阻力數(shù)值仿真分析，比較后發(fā)現(xiàn)，在側(cè)體排水體積占總排水體積的比例為12%時(shí)，三體船主側(cè)體之間能夠產(chǎn)生有利干擾。

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U662.2

A

2016年“上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃”

2017-06-28

楊鈴玉(1990—)，女，碩士，助教，主要從事船舶設(shè)計(jì)方面的研究。