沉管運(yùn)輸安裝船側(cè)向推進(jìn)器工作性能

崔立新，曹 雪，黃彥文，朱云龍

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引 言

自航式沉管運(yùn)輸安裝船采用雙體船形式，將沉管綁扎在2個(gè)片體之間。為減小阻力，通常將沉管沉沒在水下。在沉管運(yùn)輸安裝船航行過程中，受風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境因素的影響，在某些特定的航道需保證其航向的穩(wěn)定性，因此保證側(cè)向推進(jìn)器的性能良好尤為重要。側(cè)向推進(jìn)器能有效抵御船舶橫向力，在橫向來流的情況下保持船舶的橫向位置不變[1-2]。

以往普通單體船的側(cè)向推進(jìn)器通過調(diào)整螺距來改變推水方向，從而產(chǎn)生抵御橫流的力，此時(shí)由于船體兩側(cè)均為開闊區(qū)域，側(cè)向推進(jìn)器向船體兩側(cè)推水的效率基本相同。自航式沉管運(yùn)輸安裝船是雙體船，在浮運(yùn)沉管工況下，其側(cè)向推進(jìn)器向船內(nèi)側(cè)推水的效率與向船外側(cè)推水的效率差距較大。這是由于沉管的位置較為特殊，導(dǎo)致管節(jié)與片體之間的距離較近，從而對(duì)側(cè)向推進(jìn)器產(chǎn)生較大的影響。為分析管節(jié)對(duì)側(cè)向推進(jìn)器的影響，本文采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)多種工況下的側(cè)向推進(jìn)器的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合敞水試驗(yàn)定性分析片體、管節(jié)和側(cè)向推進(jìn)器三者之間的相互影響，為后續(xù)自航式沉管運(yùn)輸安裝船的設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 三維模型

沉管首先在預(yù)制廠加工（結(jié)構(gòu)擬采用鋼殼混凝土管節(jié)或鋼筋混凝土管節(jié)），然后通過纜系和鋼支墩連接固定到自航式一體船上[3]，最后通過自航式一體船實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸和安裝。沉管浮運(yùn)狀態(tài)示意見圖1。

自航式一體船為雙體船，船長(zhǎng)190m，在浮運(yùn)沉管狀態(tài)下的設(shè)計(jì)吃水為7.1m。為方便進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分，只取船首部分（其長(zhǎng)度L1=18m）進(jìn)行三維建模。由于一體船和沉管均左右對(duì)稱，因此只對(duì)左側(cè)片體和沉管進(jìn)行建模，取中縱剖面為對(duì)稱面條件。在船首指定位置處加裝側(cè)向推進(jìn)器，其功率P＝15000kW，直徑D=2.24m。自航式一體船三維模型見圖2。

圖1 沉管浮運(yùn)狀態(tài)示意

圖2 自航式一體船三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

在對(duì)側(cè)向推進(jìn)器進(jìn)行水動(dòng)力模擬計(jì)算時(shí)，其計(jì)算區(qū)域均相對(duì)某個(gè)參考坐標(biāo)系作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可選用 Fluent軟件提供的運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系模型（即MRF模型）[4]。因此，在劃分網(wǎng)格時(shí)需將整個(gè)流域劃分成2個(gè)單獨(dú)域，即包含側(cè)向推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)域和包含片體及沉管的大域，這2個(gè)域通過交互面Interface進(jìn)行數(shù)值交換。

圖3 側(cè)向推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分

在對(duì)包含片體和沉管的大域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；在對(duì)包含側(cè)向推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用六面體網(wǎng)格劃分，側(cè)向推進(jìn)器葉梢部分需進(jìn)行網(wǎng)格加密。側(cè)向推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分見圖3。

在片體的前進(jìn)速度為零的情況下，考慮側(cè)向推進(jìn)器與片體的相互影響。進(jìn)口邊界設(shè)置為壓力進(jìn)口條件，出口邊界設(shè)置為壓力出口條件，旋轉(zhuǎn)域與大域的交界面設(shè)置為Interface條件，壁面設(shè)置為無滑移固壁條件，在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。計(jì)算域內(nèi)的流體按 MRF模型設(shè)置為以角速度n繞軸旋轉(zhuǎn)。片體和沉管均設(shè)為固定壁面[5]。

1.3 結(jié)果分析

先定義側(cè)向推進(jìn)器尾流的方向：當(dāng)側(cè)向推進(jìn)器的尾流向沉管方向噴出時(shí)，定義為向內(nèi)側(cè)推水；當(dāng)側(cè)向推進(jìn)器的尾流向片體外側(cè)方向噴出時(shí)，定義為向外側(cè)推水。

考慮到沉管對(duì)側(cè)向推進(jìn)器的影響，分別計(jì)算當(dāng)片體與沉管之間的距離為1.50m、3.00m、4.50m、9.75m和無窮大（即無沉管）時(shí)，側(cè)向推進(jìn)器的工作狀態(tài)。

以片體與沉管之間的距離為3.00m為例，在通過側(cè)向推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)中心平面時(shí)，側(cè)向推進(jìn)器的壓力分布見圖4。從圖4中可看出：

1) 當(dāng)側(cè)向推進(jìn)器向內(nèi)側(cè)推水時(shí)，由于抽吸作用，在側(cè)向推進(jìn)器的后方形成一個(gè)高壓區(qū)，使側(cè)向推進(jìn)器的尾流向后噴出。這時(shí)，由于沉管的存在，側(cè)向推進(jìn)器的尾流會(huì)直接流向沉管，打到沉管表面并擴(kuò)散開來。船舶因橫流的作用而產(chǎn)生的橫向力的方向與側(cè)向推進(jìn)器對(duì)沉管產(chǎn)生的沖擊力的方向一致，導(dǎo)致側(cè)向推進(jìn)器抵御橫流的能力下降，甚至無法控制船舶的航向和位置。

2) 當(dāng)側(cè)向推進(jìn)器向外側(cè)推水時(shí)，片體與沉管之間距離的變化對(duì)側(cè)向推進(jìn)器的壓力分布影響不大，也就是說該側(cè)向推進(jìn)器仍能很好地抵御橫流。

圖4 片體與沉管之間的距離為3.00m時(shí)側(cè)向推進(jìn)器的壓力分布

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是，側(cè)向推進(jìn)器工作時(shí)，水流加速通過螺旋槳盤面，在螺旋槳前面形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，水流流經(jīng)螺旋槳盤面之后，由于螺旋槳的加壓作用，其壓力增大，在螺旋槳后方形成高壓區(qū)，高壓區(qū)與低壓區(qū)的壓力差就是螺旋槳的推力。對(duì)于側(cè)向推進(jìn)器，其推力不只是由螺旋槳產(chǎn)生，也由片體的壓力差產(chǎn)生。從圖4中可看出，側(cè)向推進(jìn)器進(jìn)口側(cè)的通道口附近同樣形成了負(fù)壓區(qū)，通道出口處形成了高壓區(qū)，低壓區(qū)和高壓區(qū)的形成使片體兩側(cè)產(chǎn)生了壓力差，導(dǎo)致片體產(chǎn)生了與螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向一致的推力。側(cè)向推進(jìn)器的推力主要由槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力和片體通道進(jìn)出口壁面壓差產(chǎn)生的推力構(gòu)成。當(dāng)沉管與片體距離較近時(shí)，側(cè)向推進(jìn)器向內(nèi)側(cè)推水，高速流動(dòng)的水流會(huì)對(duì)沉管產(chǎn)生沖擊作用，不僅影響側(cè)向推進(jìn)器本身的推進(jìn)效率，而且會(huì)使沉管的阻力增大，從而降低整體抵御橫流的效率；當(dāng)側(cè)向推進(jìn)器向外側(cè)推水時(shí)，螺旋槳前面和通道入口處的負(fù)壓區(qū)較小，沉管的存在對(duì)該負(fù)壓區(qū)的影響也很小，因此沉管與片體之間的距離對(duì)側(cè)向推進(jìn)器工作狀態(tài)的影響也比較小。

2 水池試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為得到新研發(fā)設(shè)計(jì)的自航式沉管運(yùn)輸安裝船的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和操控性指標(biāo)等信息，開展一體船側(cè)推效應(yīng)試驗(yàn)，為一體船在不同航道限制下的側(cè)推動(dòng)力配置等提供必要的參考，保證其安全地航行和作業(yè)。

按縮尺比λ=1:15制作模型，保證實(shí)體與模型幾何相似；船模長(zhǎng)度Ls=1200mm，沉管長(zhǎng)度Lt=1200mm；沉管與片體之間的距離d的取值為0.10m、0.20m、0.30m和0.65m，分別對(duì)應(yīng)實(shí)船1.50m、3.00m、4.50m和9.75m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D5和圖6。

圖5 自航式沉管運(yùn)輸安裝船試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖6 側(cè)向推進(jìn)器模型

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

側(cè)推效應(yīng)試驗(yàn)工況見表 1，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到實(shí)船尺度，繪制側(cè)向力系數(shù)Ktt、推進(jìn)器推力系數(shù)Kts、槽道螺旋槳推力系數(shù)Ktp、槽道螺旋槳扭矩系數(shù)Kqp隨片體與沉管間距d的變化曲線（見圖7和圖8）。

表1 側(cè)推效應(yīng)試驗(yàn)工況

圖7 Ktt、Kts、Ktp和Kqp隨片體與沉管間距d的變化曲線（向內(nèi)側(cè)推水）

圖8 Ktt、Kts、Ktp和Kqp隨片體與沉管間距d的 變化曲線（向外側(cè)推水）

由圖7可知：在系泊、帶沉管、向內(nèi)側(cè)推水工況下，當(dāng)片體與沉管之間的距離大于3.00m之后，槽道螺旋槳的推力和扭矩趨于穩(wěn)定，不再隨片體與沉管之間的距離的變化而變化；側(cè)向推進(jìn)器的推力隨著片體與沉管之間的距離的增加有明顯增大的趨勢(shì)；由于側(cè)向推進(jìn)器噴流是指向沉管方向的，在噴流、沉管和片體相互作用下，側(cè)向力是負(fù)值，表明側(cè)向推進(jìn)器已完全失去對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的控制能力，處于失效狀態(tài)。

由圖8可知：在系泊、帶沉管、向外側(cè)推水工況下，當(dāng)片體與沉管之間的距離大于4.50m之后，槽道螺旋槳的推力和扭矩趨于穩(wěn)定，不再隨片體與沉管之間的距離的變化而變化；側(cè)向推進(jìn)器的推力隨著片體與沉管之間的距離的增加在 1.50～4.50m范圍內(nèi)有明顯減小的趨勢(shì)，隨后趨于平穩(wěn)；實(shí)船的側(cè)向力隨著片體與沉管之間的距離的增加在1.50～3.00m范圍內(nèi)呈增大的趨勢(shì)，隨后趨于平穩(wěn)。

3 結(jié) 語

本文通過對(duì)自航式沉管運(yùn)輸安裝船浮運(yùn)沉管時(shí)側(cè)向推進(jìn)器的工作狀態(tài)進(jìn)行 CFD數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)驗(yàn)證，主要得到以下結(jié)論：

1) 當(dāng)側(cè)向推進(jìn)器向內(nèi)側(cè)推水（向沉管方向推水）時(shí)，側(cè)向推進(jìn)器自身效率下降，沉管受到?jīng)_擊之后產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致整體側(cè)向力為負(fù)值，側(cè)向推進(jìn)器失效。

2) 當(dāng)側(cè)向推進(jìn)器往外側(cè)推水（向片體外側(cè)推水）時(shí)，側(cè)向推進(jìn)器的性能有一定程度的下降，但沉管與片體之間的距離對(duì)側(cè)向推進(jìn)器的影響不大，在二者之間的距離大于 3.00m 之后，側(cè)向力達(dá)到無沉管時(shí)的98%以上，側(cè)向推進(jìn)器可正常工作。

3) 為使側(cè)向推進(jìn)器保持良好的推進(jìn)效率，保證動(dòng)力定位系統(tǒng)正常工作，保持穩(wěn)定的航向和船舶位置，當(dāng)遇到橫流時(shí)，應(yīng)避免側(cè)向推進(jìn)器向沉管方向推水工作。