基于CFD的1 100 TEU集裝箱船風(fēng)載荷計算分析

賴祥華，邵漢東，蔡輝華

（揚帆船舶設(shè)計研究院，浙江舟山 316100）

0 引言

海洋運輸是國際貿(mào)易的主要運輸方式，國際貿(mào)易總運量的2/3及我國進出口貨物的90%以上都是通過船舶運輸完成。大量船舶的CO2排放問題不加以控制勢必會造成環(huán)境危害，EEDI規(guī)則已納入MARPOL附則VI并于2013年1月1日正式生效，盡管大多數(shù)新船比較容易滿足 IMO當(dāng)前設(shè)定的基線標(biāo)準(zhǔn)，隨著IMO對能效設(shè)計指數(shù)EEDI認識越來越深刻，計算方法也日趨完善，為了滿足不斷提高的 EEDI標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)內(nèi)已興起設(shè)計和建造更高 EEDI標(biāo)準(zhǔn)的船舶[1]。另外，面對世界經(jīng)濟一體化，船東也很需要通過節(jié)能減排來提高經(jīng)濟性。為得到更小的EEDI能效指數(shù)，為了取得較小的油耗，業(yè)內(nèi)更加注重對船舶線型的優(yōu)化，更加注重節(jié)能裝置的開發(fā)和使用，而對船舶在營運中受風(fēng)面積的分析與計算也將越來越受到業(yè)界的重視。本文以一條出口德國的1 100 TEU集裝箱船為例，通過CFD手段來分析在一定風(fēng)速與航速工況下，甲板上不同載箱布置，風(fēng)載荷產(chǎn)生不同的載荷對船舶航速的影響。

1 船舶風(fēng)載荷計算方法

在實際船舶航行中，受大氣環(huán)流影響等因素，風(fēng)載荷時大時小，風(fēng)向在一定范圍內(nèi)波動。為了便于研究與分析，可以取風(fēng)載荷平均大小與平均方向作用于船舶上。圖1為船舶受到風(fēng)載荷作用時的受力示意圖。

圖1 風(fēng)載荷受力示意圖

風(fēng)載荷計算公式[2]為

式中，F(xiàn)X為迎面風(fēng)，沿船長方向風(fēng)載荷；FY為橫向風(fēng)，沿船寬方向風(fēng)載荷；N為艏搖力矩；Vr為相對風(fēng)速；L為總長；CX、CY為縱向、橫向風(fēng)載荷系數(shù)；CN為艏搖力矩系數(shù)；AT為水線以上橫剖面正投影面積，AL為水線以上縱向側(cè)投影面積。

風(fēng)對船舶的繞流計算的方法通常有規(guī)范法、經(jīng)驗公式法和數(shù)值計算法。日本船級社及海事協(xié)會是基于風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ陀嬎憬Y(jié)果提出風(fēng)載荷的計算方法，是目前計算船舶風(fēng)載荷較為可靠的方法[3]。經(jīng)驗法常用的有Isherwood法和Hughes法等。數(shù)值計算法是基于計算流體力學(xué)兼顧理論性和實踐性，對控制方程所規(guī)定的區(qū)域進行區(qū)域離散，從而轉(zhuǎn)變?yōu)樵诟骶W(wǎng)格點或子區(qū)域上定義的代數(shù)方程組，然后用線性代數(shù)的方法迭代求解[4]，能夠形象地顯示出流場流線、流向、壓力等特征標(biāo)量，而且可以反復(fù)加以計算和不斷優(yōu)化，將越來越受到重視。本文采用的數(shù)值計算方法，船舶在運動中受到空氣載荷，由于其流速相對較低，壓強變化相對較小，空氣載荷作為不可壓縮流體來考慮，其流動計算滿足流體質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

2 風(fēng)載荷仿真計算

2.1 船舶概況

1100TEU集裝箱船為單甲板、設(shè)側(cè)推、艏樓、球鼻艏、柴油機驅(qū)動的艉機型支線型集裝箱船。其主尺度如表1所示。

表1 主尺度

2.2 模型的布置與建立

模型的建立主要考慮非滿載工況。滿載工況滿足裝載手冊對最大載箱量的要求，因此不將其考慮在內(nèi)。不同的布置會產(chǎn)生不同的風(fēng)載荷，并且過多的非滿載裝載布置不便于實船的操作。本文按4種比較典型的裝載布置進行計算分析。

1）布置1：集裝箱按艙蓋上箱腳位置均勻沿船長布置，均勻布置，見圖2 a)；

2）布置2：集裝箱按艙蓋上箱腳位置從艉向艏成階梯形布置，階梯布置，見圖2 b)；

3）布置3：集裝箱按艙蓋上箱腳位置從艏從艉分別向中間階梯形布置，凹形布置，見圖2 c)；

4）布置4：集裝箱按艙蓋上箱腳位置從中間向艏艉呈現(xiàn)階梯形布置，凸形布置，見圖2 d)。

圖2 計算模型的布置

另外，為簡化計算，節(jié)約計算資源，模型僅建水線以上部分。圖3為集裝箱船風(fēng)阻力計算的簡化模型。

圖3 簡化的計算模型圖

2.3 不同裝載工況下的風(fēng)載荷計算

不同的布置受到的風(fēng)載荷影響是不同的，本文按以上4種布置作為計算工況，分別編制為工況1～工況4。不同的海域、季節(jié)、天氣，海況變化無常，在真實海況中航行的船舶，風(fēng)向角會波動，風(fēng)的大小也會時大時小，時長時短，為便于分析，本文中所指的風(fēng)向角和風(fēng)載荷相當(dāng)于一定時間內(nèi)的均值，計算時每種工況按風(fēng)向角間隔 45°進行分析模擬，風(fēng)向角 180°～360°按風(fēng)向角0°～180°考慮。

2.3.1 風(fēng)向角β=0°

風(fēng)向角為0°時，海風(fēng)從船首向船尾吹，4種不同布置的裝載工況流場壓力云圖如圖4所示，從計算結(jié)果分析，工況3所受到的風(fēng)載荷最大，載荷阻力值達到38 025 N；其次是工況4，其載荷阻力為36 051 N。

2.3.2 風(fēng)向角β=45°

風(fēng)向角為45°時，風(fēng)向與船體中心線成45°，海風(fēng)由船首吹向船尾，4種不同裝載工況的集裝箱外流場壓力云圖如圖5所示。工況4搭載方式所受到的阻力最大，風(fēng)阻力值為30 305 N。其次是工況1，其搭載布置所受風(fēng)阻力值為25 520 N。

2.3.3 風(fēng)向角β=90°

風(fēng)向角為 90°，風(fēng)載荷橫向吹向船舶，相當(dāng)于船舶受到橫風(fēng)作用，空氣繞船舶運動的外流場壓力云圖如圖6所示。根據(jù)計算工況2布置形式所受的風(fēng)載荷由阻力轉(zhuǎn)為推力，最大值達到12 400 N。僅工況1所受阻力，其值為8 100 N。

圖4 β=0°時4種集裝箱布置工況流場壓力云圖

圖5 β=45°時4種集裝箱布置工況流場壓力云圖

圖6 β=90°時4種集裝箱布置工況流場壓力云圖

2.3.4 風(fēng)向角β=135°

風(fēng)向角為135°，風(fēng)載荷從尾部吹向首部，與船體中心線的夾角為 135°，相當(dāng)于順風(fēng)航行狀態(tài)，4種不同集裝箱布置的計算工況外流場壓力云圖如圖7所示。工況2布置所受到風(fēng)載荷推力值最大，風(fēng)載荷為205 505 N，是較為經(jīng)濟的布置形式。其次是工況2的布置，其所受風(fēng)載荷的推力為186 650 N。

2.3.5β=180°

風(fēng)向角為180°，風(fēng)載荷由尾部吹向首部，順風(fēng)狀態(tài)，其計算的集裝箱外流場壓力云圖如圖8所示。經(jīng)計算工況4受到風(fēng)載荷推力值最大，風(fēng)載荷達到249 798 N，經(jīng)濟性較好。工況3的集裝箱布置所受到的推力次之，船舶所受到風(fēng)載荷的推力值為243 321 N。

圖7 β=135°時4種集裝箱布置工況流場壓力云圖

圖8 β=180°時4種集裝箱布置工況流場壓力云圖

3 集裝箱船舶風(fēng)阻力特性分析

不同風(fēng)向角和不同集裝箱布置工況的計算結(jié)果匯總，如表2所示。

表2 不同風(fēng)向角4種搭載狀態(tài)下集裝箱模型所受風(fēng)載荷（單位：N）

將表2的數(shù)據(jù)采用柱形圖表示（圖9），可以看到，船舶受到相同風(fēng)載荷和風(fēng)向角的作用下，不同的集裝箱布置，其所受到的風(fēng)載荷大小是不同的。船舶在相同布置工況下，在不同風(fēng)載荷和不同風(fēng)向角作用下，其所受到的風(fēng)載荷大小也是不同的。

圖9 4種集裝箱布置工況所受風(fēng)載荷柱形圖

當(dāng)風(fēng)載荷為負值時，其壓力方向與船舶行駛方向相反，風(fēng)載荷表現(xiàn)為逆風(fēng)，對船舶航行產(chǎn)生阻力。當(dāng)風(fēng)載荷為正值時，其壓力方向與船舶前進方向相同，風(fēng)載荷表現(xiàn)為順風(fēng)，對船舶航行產(chǎn)生推力。同時由表2可知：

1）風(fēng)向角β為0°、45°時，風(fēng)載荷的合力為負值，對船舶產(chǎn)生阻力，且β=0°時，工況3所受阻力最大為38 025 N，工況4風(fēng)載荷阻力值為36 051 N，工況1所受到的風(fēng)載荷阻力最小，其值為25 520 N。所以，在0°和45°情況下，工況1的集裝箱布置形式最為經(jīng)濟，工況2的阻力值略大于工況1的阻力值。在實際操作中，工況1布置較為困難時，工況2的布置也是優(yōu)選方案。

2）風(fēng)向角β為90°時，船舶受到橫風(fēng)作風(fēng)，根據(jù)分析結(jié)果顯示，風(fēng)載荷對船舶的合力，工況2為正值，推力值為12 400N，工況1為-8 100 N，對船舶產(chǎn)生阻力。因此工況2的集裝箱布置最優(yōu)，工況3和工況4的布置形式，空氣載荷的推力次之，為備選方案。

3）風(fēng)向角β為135°、180°時，風(fēng)載荷對集裝箱船處于順風(fēng)狀態(tài)時，風(fēng)載荷的合力為正值。工況4所受的風(fēng)載荷最大，其推力載荷為249 798 N；當(dāng)風(fēng)向角β為135°時，工況2的推力載荷為205 504 N。因此，在實際航行中，工況2和工況4的集裝箱布置形式為優(yōu)選方案[5]。

4 結(jié)論

從以上分析看出，船舶受風(fēng)載荷與集裝箱的布置有密切關(guān)系，并且其所受風(fēng)載荷大小與繞流空氣場尾渦區(qū)域大小也相關(guān)，當(dāng)尾渦區(qū)域相對較大時，船舶所受風(fēng)載荷越大。在實際航行設(shè)計中，在滿足船舶穩(wěn)性、駕駛視線并保證船舶安全的前提下，采用流體數(shù)值計算方法可以有效地仿真風(fēng)流場作用于船體的阻力和推力。根據(jù)航線及航速等因素，改變航向優(yōu)化風(fēng)向角，優(yōu)化集裝箱布置，降低風(fēng)阻力，減小油耗量。正確評估船舶在航行過程中的風(fēng)載荷阻力，對船舶設(shè)計及營運船舶合理配載具有積極的參考價值。