船舶風載荷的研究進展和展望綜述

王志浩 趙天翔 宋強 王文杰

摘 要：風載荷是船舶航行中環(huán)境載荷的一個組成部分，對船舶航行安全及節(jié)能減排具有重要意義。船舶在航行過程中，其橫向角速度波動程度較大，可見船身橫向?qū)挾葘ν饨绺蓴_較為敏感，為減少干擾載荷對船舶運動的影響，可適當增加船身橫向?qū)挾?，在船舶設計過程中，結(jié)合船舶風載荷研究中現(xiàn)場實測、風洞實驗和數(shù)值分析三種方法，對風載荷的研究進展進行論述。最后結(jié)合船舶在風載荷方面的現(xiàn)有研究成果及發(fā)展趨勢，對風載荷研究工作在船舶行業(yè)的應用前景進行了展望。

關鍵詞：風載荷;船舶;節(jié)能減排

1 風載荷概述

風載荷，即動壓力，是工程結(jié)構(gòu)因為空氣流動而導致的壓力。最早是在1889年由著名的埃菲爾鐵塔的設計者Gustafo Eiffil提出的，起初應用于建筑學，隨后隨著空氣動力學的發(fā)展，逐漸應用于很多領域。其和地面粗糙度、建筑體型以及基本風壓相關。其變化可劃分為兩大塊，其一即為長周期部分，往往超過十分鐘;其二即為短周期部分，一般僅為數(shù)秒。為便于開展分析，常常分解實際風載荷為脈動以及平均風載荷兩大塊。因長周期比普通結(jié)構(gòu)自振周期明顯更大，所以平均風載荷作用于結(jié)構(gòu)時，即等同于靜力作用。而脈動風載荷則具備較短周期，在時間變化的同時，強度因此而變化，以動力作為作用性質(zhì)，由此使得結(jié)構(gòu)振動。對于舶舶風載荷而言，一直以來都不被人重視，但隨著海洋工程裝備的不斷發(fā)展，以及人們對于海洋資源的開發(fā)利用，船舶風載荷才漸漸引起了人們廣泛的關注。船舶風載荷的計算方法也成了人們不斷研究并探索的課題。船舶風載荷很大程度上會對操縱、航行性能產(chǎn)生影響。若為特殊工況，如動力定位、駁船頂推作業(yè)等，則其影響將更為突出。

2 船舶風載荷研究目的和意義

2.1 船舶的節(jié)能

在設計海洋、船舶結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)時，風載荷往往作為負荷的關鍵因素，但卻被人所忽略。正因如此，由風導致的力矩以及力，才引發(fā)了諸多海洋結(jié)構(gòu)物以及船舶等事故的發(fā)生。所以，以風載荷作為關鍵因素這一方面來看，估計是否準確將產(chǎn)生極為重要的影響，相關人員需對此予以關注。因其會對運營進程中的海洋、船舶結(jié)構(gòu)物的安全造成影響。

就離岸結(jié)構(gòu)、或船舶而言，當遭受風載荷時，如集裝箱船，具有極大的結(jié)構(gòu)受風面積，不僅會因風導致的聯(lián)合水荷載受到影響，風荷載也將直接影響船體結(jié)構(gòu)，此時對應的動力載荷相當大。在海洋以及船舶結(jié)構(gòu)物中，風載荷屬于極為關鍵的環(huán)境負荷，不論是在操縱船舶、還是推進效率方面，均可發(fā)揮極為關鍵的作用。此外，就船舶動力定位、拖曳等狀況之下，風載荷的作用也極為突出。所以，可準確對數(shù)值進行計算，方可使得結(jié)構(gòu)物、風的作用以及影響得以顯著減少。如對風荷載進行計算，由此可對穩(wěn)定性、推進等進行分析，此外還包括動態(tài)定位的分析等。

2.2 船舶航行定位

在定位以及船舶航行時，風場將對此產(chǎn)生作用，所以對其承受風載荷予以準確估計，并對船舶運動進行預報，極為必要，并且在分析操縱、推進性能以及穩(wěn)定性來看，幫助相對較大。就動力定位來看，對風場流動如何影響船舶壓力進行準確評估，對風載荷進行計算，對于風場影響的減少具有極為關鍵的作用。若并未運用錨泊系統(tǒng)來定位船舶，則提前對周邊環(huán)境進行評估極為關鍵，需要關注的是，雖然海洋環(huán)境風力一般都會對船舶產(chǎn)生影響，但人們對此的關注度不夠，由此也導致諸多具體案例的發(fā)生，人們才對此重要性有所認識。對比海浪、洋流的作用而言，風才是最為廣泛的對船舶動力定位系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾因素，風不僅會影響海浪，也會直接在船樓、船體部位造成影響，并進而影響運行。所以，在對動力定位系統(tǒng)進行研發(fā)時，如何實現(xiàn)風力對運作影響的減小，是作為研發(fā)者而言首先需探究的關鍵問題。就拿“東方之星”客輪沉沒事件來說，造成其傾覆的主要因素之一就是江面上突如其來的龍卷風。相比于洋流和海浪對于船舶的作用，風對于船舶動力定位系統(tǒng)的干擾最為廣泛，海面上的風不但會對海浪造成影響，還會直接作用在船體及船舶的上層建筑上，對船舶的姿態(tài)產(chǎn)生影響。因此在設計船舶動力定位系統(tǒng)時，如何減小風力對于該系統(tǒng)運作的影響，是非常值得設計者考慮的因素之一。由此可見風載荷部分是動力定位系統(tǒng)中最值得去優(yōu)化的環(huán)節(jié)之一，這對于提高動力定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精確度有著極為重要的現(xiàn)實意義。

3 研究方法及進展

3.1 風洞試驗測量

最初，風洞試驗被運用于流體力學。將物體模型、飛行器放置于風洞之中，對氣體流動、模型的互相作用進行探究，進而對物體、飛行器具備的空氣動力學特性進行認識的空氣動力試驗方法。在船舶研究方面，風洞試驗是一種將加工制造出的縮尺船舶模型置于能模擬風環(huán)境的特定實驗室內(nèi)，通過先進的測量設備和技術，測得船舶模型的受力情況及測量點的流場信息的研究方法。風洞試驗是當前獲得船舶風載荷較為準確和可靠的方法！在船舶的風場和風阻力的研究中起著重要作用。但其依然存在諸多缺陷：其一，邊界干擾或效應;其二，支架干擾;其三，相似準則無法滿足。就船體的具體表現(xiàn)如下，試驗過程中需對幾何縮尺模型加以運用，無法對模型細節(jié)響應風載荷予以全面體現(xiàn);開展試驗的費用偏高，周期相對較長;在設計船舶結(jié)構(gòu)方面，需對多個方案加以對比，但無法同時開展風洞試驗。所以，在線性優(yōu)化船舶方面，這一試驗依然具備局限性。

3.2 經(jīng)驗公式估算

當前，有關風載荷的諸多計算經(jīng)驗公式已經(jīng)由各國學者提出，目前認可度比較高的是國外一些學者研究的經(jīng)驗公式，加以對比分析，選擇應用。比如Isherwood等學者，選取大量相關數(shù)據(jù)，并針對此開展多元回歸分析工作，提出對風壓力矩以及船舶風壓力矩進行計算的回歸公式，本方法可適用于諸多串行，且可對全風向角工況進行計算。在中國北海，Chen等學者開展了風載荷模擬實驗，以1∶100作為比例尺。測量了八個方向、來自甲板的風速。對五個攻角之下對應結(jié)果進行獲取。具體結(jié)論如下，即風速針對脈動、平均風速產(chǎn)生了較大影響。Gould則對船舶上層建筑風力矩以及風進行計算、預報的程序進行設計，對有效相對風速問題進行探究，且對指數(shù)風剖面模擬公式進行總結(jié)。結(jié)合風洞試驗具體數(shù)據(jù)，VanBerIekom則針對各個風向角之下，滾裝、集裝箱船對應的迎風風力系數(shù)，對以此為基礎的船舶迎風風阻力計算公式進行總結(jié)。也就是范·伯利柯姆公式。以全面、系統(tǒng)的一組船舶風載荷實驗數(shù)據(jù)為基礎，Blendermann對船舶橫傾力矩、橫向、縱向風力等的計算公式進行推導，并且對不均勻風速之下，如何結(jié)合風洞數(shù)據(jù)來對風載荷進行計算的方法進行總結(jié)。此外，通過在密歇根大學開展的風洞試驗數(shù)據(jù)的運用的基礎之上，OCIMF就針對超大型油輪進行計算的方法進行總結(jié)，對各種載況之下對應風載荷系數(shù)予以羅列，還表示，即便對較小型油船進行計算時，這一經(jīng)驗公式、計算流程依然具備一定精度。

但是，上述公式在計算相應特定船型風載荷方面，往往結(jié)果無法取得良好的一致性，具體原因在于，經(jīng)驗公式的推導，以試驗獲得數(shù)據(jù)為基礎。而風洞數(shù)據(jù)往往具備有限以及局限性，并最終影響計算結(jié)果的準確度。針對上述問題，M.R.Haddara通過神經(jīng)網(wǎng)絡技術的運用，對船舶風載荷進行計算的通用公式進行總結(jié)，并對油船進行選擇，驗證了這一公式，進而認識到，對比其他經(jīng)驗公式而言，這一方法的精度明顯更高。此后，在風載荷計算方面，Toshifumi Fujiwara則運用了成分分離型理論，該方法即劃分在船體作用的風壓為交叉流體、主流、誘導阻力。

3.3 數(shù)值建模計算

在計算機日益發(fā)展的同時，以風洞試驗原理作為基礎，并通過計算流體力學理論的運用，學者們更為關注這一數(shù)值建模計算。對比傳統(tǒng)試驗而言，其具備的特點包括如下：

①成本偏低，且效率高，研發(fā)周期相對較短;

②模型尺寸不會對此產(chǎn)生影響，可結(jié)合微觀視角對流場的任意流動狀況進行查看;

③便于對各類參數(shù)的變化，并完成多方案對比探究等。

就結(jié)合數(shù)值模擬計算風載荷而言，國內(nèi)外學者對此開展了諸多探究，如通過CFD方法的運用，Ignazio針對帆船開展了風場數(shù)值探究工作。通過各類網(wǎng)格尺寸、湍流模型的運用，開針對帆船完成諸多建模，對升力、阻力大小予以計算，對計算可使得工程精度得以滿足進行驗證，結(jié)合對比后認識到，更加吻合于風洞試驗結(jié)果的為realizable k-epsikon湍流模型;通過ANSYS軟件的運用，張金鵬針對非滿載狀態(tài)的集裝箱船的風阻開展了探究工作。通過理論分析計算結(jié)果、對數(shù)值模擬計算的對比，就集裝箱船風載荷的計算而依然，數(shù)值模擬是否可行性進行驗證。James.Forrest則針對SFS風場開展數(shù)值建模工作，對非定常計算策略加以運用，并針對選擇時間步長開展敏感性分析工作，對實際船體、CFD模型壓縮尺寸對應的差異進行對比。

4 結(jié)語

從目前船舶風載荷的研究來看，風洞實驗雖然較為可靠和準確，但是從結(jié)構(gòu)模型利用率低、模型制作到實驗完成的周期、支架干擾、風洞洞壁干擾等問題也是當前風洞實驗面臨的重要問題，風洞實驗與3D打印技術、自動控制技術等國內(nèi)先進技術的緊密結(jié)合，將大幅度提高風洞實驗數(shù)據(jù)的精度和可靠性。

參考文獻：

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