42m拖網(wǎng)漁船水動(dòng)力性能分析

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)工程研究所□李夢陽 段若衡

中國是漁業(yè)大國，2018年年末漁船總數(shù)為86.39萬艘，總噸位1080.15萬噸，全社會(huì)漁業(yè)產(chǎn)值12815.41億元。中國漁業(yè)船舶技術(shù)更新發(fā)展日新月異，但與世界發(fā)達(dá)國家相比，仍存在一定差距，漁船技術(shù)水平低、普遍船齡高、安全隱患大為主要問題。以浙江嵊泗漁港為例，該漁港海況惡劣、臺(tái)風(fēng)頻發(fā)。近年來，由臺(tái)風(fēng)天氣引發(fā)的港內(nèi)漁船沉船碰撞事故給漁民造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)近十年來浙江省重大漁業(yè)海難事故案例統(tǒng)計(jì)分析，惡劣天氣海況造成重大漁業(yè)海難事故占全部重大漁業(yè)海難事故的80%以上，且呈上升趨勢。通過實(shí)地調(diào)研可知，當(dāng)臺(tái)風(fēng)天氣來臨時(shí)，大部分漁船會(huì)停泊在港池內(nèi)躲避災(zāi)害。小型漁船以多艘并排的形式靠在岸邊，而大中型漁船需要在港池水深位置錨泊避風(fēng)。惡劣海況會(huì)造成漁船起錨或者錨鏈斷裂等風(fēng)險(xiǎn)，基于此，港內(nèi)漁船錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于漁船在臺(tái)風(fēng)天氣是否能夠保證穩(wěn)性和安全性尤為重要，良好的系泊系統(tǒng)可以保證船舶在次臺(tái)風(fēng)時(shí)的定位需求，并在可預(yù)見的惡劣海況下也可以生存。而船體水動(dòng)力性能頻域計(jì)算更是錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此對(duì)典型漁船船型進(jìn)行水動(dòng)力性能分析，對(duì)到港漁船更好地避風(fēng)減災(zāi)、保障漁業(yè)生產(chǎn)安全具有重要的實(shí)際意義。同時(shí)，拖網(wǎng)漁船作為捕撈業(yè)最常見的漁船之一，研究其水動(dòng)力性能對(duì)改善漁船船型，有效提高船舶穩(wěn)性具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，可為漁船的效率性和經(jīng)濟(jì)性發(fā)展提供理論依據(jù)。目前，針對(duì)拖網(wǎng)漁船的水動(dòng)力特性研究大多關(guān)注漁船的阻力性能，基于Computational Fluid Dynamics計(jì)算軟件 （簡稱CFD）對(duì)其水動(dòng)力節(jié)能技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。謝永和等以42m拖網(wǎng)漁船為研究對(duì)象，從船型優(yōu)化等角度來對(duì)拖網(wǎng)漁船的水動(dòng)力節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析闡述并進(jìn)行優(yōu)化后船模的阻力預(yù)報(bào)與對(duì)比。王立軍等對(duì)42m級(jí)拖網(wǎng)漁船在拖網(wǎng)作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，通過船模水池試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合，研究拖網(wǎng)漁船在考慮漁具影響下不同工況時(shí)的水動(dòng)力性能。

從改善船體穩(wěn)性角度出發(fā)，選取嵊泗海域漁民廣泛使用的典型42m拖網(wǎng)漁船 （浙嵊漁07211號(hào)）進(jìn)行研究，根據(jù)其型線圖，利用AQWA軟件建立有限元網(wǎng)格模型，基于勢流理論， 選取 0°、 45°、 90°、 135°和 180°共五個(gè)方向的浪向角，對(duì)該漁船在滿載返航的作業(yè)工況下進(jìn)行了頻域水動(dòng)力性能分析，得到其在六個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO，附加質(zhì)量和輻射阻尼、一階波浪擾動(dòng)力和二階波漂力等數(shù)據(jù)。

1 船體水動(dòng)力基本理論

（1）船體水動(dòng)力計(jì)算數(shù)學(xué)模型

為了更好的研究無航速狀態(tài)下船舶與海洋結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)，采用固定坐標(biāo)系o0x0y0z0和隨體坐標(biāo)系oxyz兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 固定坐標(biāo)系與隨體坐標(biāo)系定義

固定坐標(biāo)系o0x0y0z0作為參考坐標(biāo)系在流場中固定，o0x0y0平面定義為水線面，o0y0垂直于該平面的o0z0軸鉛直向上。隨體坐標(biāo)系oxyz原點(diǎn)o與結(jié)構(gòu)物重心位置重合，固連在結(jié)構(gòu)物上，并隨著浮體做搖蕩運(yùn)動(dòng)。隨體坐標(biāo)系oxyz與固定坐標(biāo)系o0x0y0z0中的相對(duì)位置變化表征了浮體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。隨體坐標(biāo)系原點(diǎn)o的位置為 （x，y，z），該坐標(biāo)為相對(duì)于固定坐標(biāo)系的線位移，把沿x、y與z方向的平動(dòng)定義為縱蕩、橫蕩以及垂蕩；把浮體沿x、y與z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)變化定義為浮體的橫搖、縱搖和艏搖運(yùn)動(dòng)。其示意圖如圖2所示。

圖2 六自由度的運(yùn)動(dòng)示意圖

（2）浮體的頻域計(jì)算方法

浮體頻域計(jì)算分析時(shí)，流場中總的速度勢φ （x， y， z） 包括：入射勢 φ0（x，y， z）、 浮體六自由度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射勢φj（x，y，z） （j=1， 2，…， 6）以及繞射勢 φ7（x， y， z）。然而在實(shí)際情況中，波浪入射勢φ0（x，y，z）是已知的，所以求解輻射勢φj（x，y，z） （j=1，2，…，6）和繞射勢 φ7（x，y，z）是求解總速度勢φ （x， y， z） 的核心。

輻射勢φj（x，y，z）滿足的控制方程和定解條件為：

繞射勢φ7（x，y，z）求解的控制方程和定解條件為：

已知入射勢φ0（x，y，z）的條件下，通過求解上式就可得到輻射勢φj（x，y，z）和繞射勢φ7（x，y，z），進(jìn)而得到流場中總的速度勢φ （x， y， z）。

2 水動(dòng)力模型的建立

選用浙江省嵊泗縣海洋與漁業(yè)局提供的浙嵊漁07211號(hào)船型。船體主要參數(shù)為：總長42.8m，垂線間長36m，設(shè)計(jì)吃水2.8m，型寬7m，型深3.5m，設(shè)計(jì)排水量420.1噸。

根據(jù)CAD型線圖提供的尺寸，截取船體水下型體部分的型值點(diǎn)，并導(dǎo)入AQWA生成模型。船體水下部分的模型以及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 船體的水動(dòng)力計(jì)算模型

設(shè)慣性坐標(biāo)系OXYZ，坐標(biāo)原點(diǎn)位于尾舵與基線交點(diǎn)處，X軸指向船艏，Y軸指向左舷，Z軸按照右手規(guī)則指向上。本文以漁船滿載返航的載況為計(jì)算工況，此時(shí)船體的重心坐標(biāo)為（16.384，0，2.5）。本文研究方法上的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用水動(dòng)力計(jì)算軟件AQWA，分析了42m漁船在極限惡劣生存工況下規(guī)則波取不同入射角時(shí)的水動(dòng)力性能。

3 水動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果分析

（1） 概述

船體在規(guī)則波中六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)可以分解為三個(gè)線位移和三個(gè)角位移，其中三個(gè)線位移分別為縱蕩、橫蕩和垂蕩，三個(gè)角位移分別為橫搖、縱搖和艏搖。由于船體左右對(duì)稱，所以在對(duì)船體進(jìn)行頻域分析時(shí)選取0°、45°、90°、135°和180°共五個(gè)方向的浪向角。取港口系泊錨地的水深為5m，海洋環(huán)境的海水密度為1025kg/m3。頻域分析時(shí)，規(guī)則波的波浪頻率取0.1～3.5rad/s，步長為0.1rad/s，在頻域內(nèi)對(duì)船體進(jìn)行水動(dòng)力性能分析，得到船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO，附加質(zhì)量和輻射阻尼等。

（2）幅值響應(yīng)算子 （RAO）計(jì)算結(jié)果分析

圖4中，①號(hào)曲線為0°入射角，②號(hào)曲線為45°入射角，③號(hào)曲線為90°入射角，④號(hào)曲線為135°入射角，⑤號(hào)曲線為180°入射角。由圖4所示，縱蕩和橫蕩響應(yīng)曲線不僅形狀較為相似并且數(shù)值也相差不大，其大小均隨著波浪圓頻率的增大而不斷衰減。當(dāng)波浪圓頻率較小時(shí)，船體在縱蕩和橫蕩方向上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大，并且在波浪圓頻率為1.6rad/s附近逐漸趨于0。此外，波浪的浪向角也對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有所影響。

根據(jù)縱蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線可知，當(dāng)波浪的浪向角為0°和180°時(shí)，縱蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大，其次是45°和135°，而90°的浪向角對(duì)縱蕩的運(yùn)動(dòng)相應(yīng)影響最小。而橫蕩的情況剛好相反，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。根據(jù)垂蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線可知， 當(dāng)浪向角為 0°、 45°、 135°和 180°時(shí)， 隨著波浪圓頻率的增大，垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均先減小再增大最后再減小。當(dāng)浪向角為90°時(shí)，垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在低頻情況下的運(yùn)動(dòng)較為劇烈，直到波浪圓頻率為1.2rad/s時(shí)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)才開始衰減。

從橫搖響應(yīng)曲線可以看出，船體在90°浪向下的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大。當(dāng)浪向角為90°時(shí)，隨著波浪圓頻率的增大，船體的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)先增大后減小，并且在波浪圓頻率為0.8rad/s時(shí)達(dá)到峰值4.87°/m。當(dāng)浪向角為45°和135°時(shí)，船體的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在0.7rad/s左右達(dá)到峰值2.51°/m。當(dāng)浪向角為0°和180°時(shí)，船體的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最小。

圖4 船體六自由度運(yùn)動(dòng)相應(yīng)RAO

對(duì)于船體的縱搖響應(yīng)曲線，當(dāng)浪向角為0°、45°、135°和180°時(shí)，其縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均先增大后減小。當(dāng)浪向角為0°和180°時(shí)，縱搖響應(yīng)在波浪圓頻率為0.8rad/s時(shí)達(dá)到峰值，峰值為4.45°/m。當(dāng)浪向角為45°和135°時(shí)，船體的縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在1.0rad/s時(shí)達(dá)到峰值，峰值為4.29°/m。船體在浪向角為90°時(shí)的縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最小，此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。

根據(jù)船體的艏搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線，船體的艏搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)總體隨著波浪圓頻率的增大而減小。其中船體在浪向角在45°和135°時(shí)艏搖運(yùn)動(dòng)較為劇烈。對(duì)于船體而言，主要考慮其橫搖運(yùn)動(dòng)的影響。根據(jù)上述結(jié)論，在浪向90°、波浪圓頻率0.8rad/s時(shí)，船體的橫搖最為劇烈。

（3）附加質(zhì)量和輻射阻尼計(jì)算結(jié)果分析

船體在波浪載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)會(huì)激發(fā)出一個(gè)散射速度勢，這個(gè)散射速度勢會(huì)改變流體速度場的分布，從而使船體本身收到一個(gè)附加的水動(dòng)力載荷。而該載荷與船體運(yùn)動(dòng)的速度和加速度成正比，故以附加質(zhì)量和附加阻尼的形式體現(xiàn)。計(jì)算結(jié)果如圖5與圖6所示。

圖5、圖6中①號(hào)曲線為縱蕩，②號(hào)曲線為橫蕩，③號(hào)曲線為垂蕩，④號(hào)曲線為縱搖，⑤號(hào)曲線為橫搖，⑥號(hào)曲線為艏搖。由圖5可知，船體的附加質(zhì)量總體隨波浪圓頻率的增大而減小。船體縱蕩、橫蕩和垂蕩三個(gè)自由度上的附加質(zhì)量要小于在橫搖、縱搖和艏搖方向上的附加質(zhì)量。船體在垂蕩、橫蕩和縱搖方向上附加質(zhì)量的變化趨勢較大，并且垂蕩方向產(chǎn)生的附加質(zhì)量最大。這是由于船舶垂向的水線面面積最大，橫剖面面積最小，因此附加質(zhì)量跟船舶尺寸有很大關(guān)系。由圖6可知六個(gè)自由度方向的輻射阻尼均隨著波浪圓頻率的增大總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。其中，垂蕩方向的輻射阻尼要比縱蕩和橫蕩的輻射阻尼更大，縱搖方向的輻射阻尼要大于橫搖和艏搖方向的輻射阻尼。由圖5和圖6可以看出，隨著船體運(yùn)動(dòng)頻率增大，其附加質(zhì)量趨于穩(wěn)定，而輻射阻尼產(chǎn)生了劇烈的變化。船體的附加質(zhì)量和輻射阻尼對(duì)船體運(yùn)動(dòng)頻率具有較大的依賴性。

（4）一階波浪繞動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析

在AQWA-LINE水動(dòng)力計(jì)算的輸出結(jié)果中，波浪激勵(lì)力以如下幾項(xiàng)來表示：弗勞德克-雷洛夫力/力矩、繞射力/力矩、總的波浪力/力矩。如圖7表示弗勞德克-雷洛夫力/力矩和繞射力/力矩。

圖7中，①號(hào)曲線為0°入射角，②號(hào)曲線為45°入射角，③號(hào)曲線為90°入射角，④號(hào)曲線為135°入射角，⑤號(hào)曲線為180°入射角。由圖7可知，無論波浪入射角是多少，一階波浪激勵(lì)力都有隨頻率的增大而減小的趨勢。在縱蕩和縱搖兩個(gè)自由度上，90°浪向角時(shí)船體所受的波浪激勵(lì)力最小，并且在頻域內(nèi)比較穩(wěn)定，而其他浪向角下船體所受的波浪激勵(lì)力都有較大的波動(dòng)。在橫蕩、垂蕩和橫搖三個(gè)自由度上，船體所受的波浪激勵(lì)力在浪向角為90°時(shí)最大，在浪向角為0°時(shí)，橫蕩和橫搖自由度上的波浪激勵(lì)力很小。艏搖的波浪激勵(lì)力在斜浪時(shí)達(dá)到最大，橫浪和迎浪下都比較小。

圖5 船體附加質(zhì)量

圖6 船體輻射阻尼

圖7 振蕩波激勵(lì)力

4 結(jié)論

漁船在港池內(nèi)，水深較淺時(shí)，船體在低頻長波下的縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO、垂蕩和縱搖附加質(zhì)量較大，同時(shí)一階波浪擾動(dòng)力在縱蕩、縱搖、橫蕩和橫搖這四個(gè)自由度的低頻區(qū)域變化幅度較大，需要注意低頻長波下船體的運(yùn)動(dòng)情況。波浪頻率在0.8～1.2rad/s時(shí)，船體的橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、垂蕩和縱搖輻射阻尼系數(shù)均達(dá)到極大值。其中，在浪向90°、波浪圓頻率0.8rad/s時(shí)，船體的橫搖最為劇烈。對(duì)于漁船穩(wěn)性而言，主要考慮其橫搖運(yùn)動(dòng)和進(jìn)水角的影響，因此，在極限臺(tái)風(fēng)天氣時(shí)，漁船應(yīng)選擇迎浪方向停泊以減小橫搖角，同時(shí)對(duì)漁船系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量采取八字系泊方式，使其固定在一定范圍內(nèi)，以減小船體橫搖運(yùn)動(dòng)，減小船體傾覆風(fēng)險(xiǎn)。海況對(duì)漁船穩(wěn)性有著很大影響，惡劣海況下船體六自由度運(yùn)動(dòng)更加劇烈，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注船體在波浪圓頻率為0.6～1.2rad/s的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)，可以通過優(yōu)化船體型線、艙室配載和漁船系泊系統(tǒng)等方式提高船體穩(wěn)性，以確保船體的安全。