雙體風電運維船阻力CFD計算及降阻設計研究

蔡翰翔，陳超核，2，?

（1.華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510641；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東珠海 519080）

0 引言

近些年來，我國海上風電裝機容量呈增長趨勢［1］，市場對于用于海上風電場運行維護的專業(yè)風電運維船的需求越來越大。目前，雙體船船型比較適用于風電運維船，雙體船有著甲板面積大、穩(wěn)性好等優(yōu)點［2］。而快速性能良好的風電運維船有利于海上風電場運維作業(yè)的完成。所以，針對此類船舶的阻力性能和優(yōu)化方法的研究有一定的必要性。

船舶降阻的方法有很多，比如優(yōu)化船型；設計球鼻艏；加裝壓浪板等等。高汪濤［3］研究了船型優(yōu)化方法對一艘深拖母船的阻力性能的影響；李納［4］等分析了某船無球鼻艏以及加裝兩種不同球鼻艏后的阻力性能；陳濤［5］等研究了艉壓浪板和艉垂直板對某高速船的快速性的影響；李冬琴［6］等研究了分段式壓浪板對某高速船的阻力性能的影響。

CFD 技術在船舶的水動力性能分析領域中的應用較多，于興鵬［7］使用STAR-CCM+軟件對一艘雙體風電運維船的阻力進行了研究；許媛媛等［8］采用CFD 方法對中低速Wigley 船模的阻力進行計算分析；張明霞等［9］使用STAR-CCM+軟件針對V 型無壓載水船舶的阻力進行了分析，通過優(yōu)化球鼻艏進行阻力改善；劉飛［10］利用CFD 方法對某破損船舶的阻力進行了研究；高天敏［11］基于CFD 技術，利用STAR-CCM+軟件對雙體風電運維船的尾部下沉及靜水阻力、縱傾等進行了分析；方靜等［12］對無人雙體船進行CFD仿真計算，研究船舶的阻力性能；陳悅等［13］利用CFD 方法研究了某三體風電運維船主側體的排水體積之比以及主側體相對位置對船舶阻力性能的影響。

CFD 可以計算多種船舶阻力。楊培青等［14］利用CFD 技術，對某三維船體的摩擦阻力進行了預報；錢浩等［15］利用CFD 軟件對某三體船的剪切阻力（即摩擦阻力）和壓差阻力進行了分析，研究安裝噴水推進器流道對于船舶阻力性能的影響。

CFD 技術在船舶水動力領域的研究已較為成熟，利用CFD方法針對適用于特殊需求的雙體船如海上風電運維船的阻力性能及優(yōu)化方法的研究有一定的價值。本文以某海上風電運維船為研究對象，分析此船的阻力及航態(tài)，并且研究加裝壓浪板這一優(yōu)化方法，為此海上風電運維船的優(yōu)化設計提供一定的參考。

1 數(shù)值模型

1.1 數(shù)值方法

本文基于CFD技術對船舶的阻力以及航態(tài)進行了研究，對于不可壓縮的三維流體，需要滿足連續(xù)方程及動量方程：

式中：

ρ——流體密度（kg/m3）；

ui、uj——平均速度分量（m/s）；

xi、xj——坐標系分量（m）；

μ——動力粘性系數(shù)（Pa·s）；

P——平均壓力（Pa）；

選用Realizablek-ε湍流模型，采用VOF 方法對自由液面進行捕捉。

1.2 模型建立

本文所研究的船舶為一艘雙體海上風電運維船，根據(jù)船舶型線圖，使用SolidWorks 和Rhino 進行建模，模型和實船的比例為1∶1。

主要參數(shù)如表1所示，船模如圖1所示。

圖1 船體模型視圖Fig.1 Hull model view

表1 船舶主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the vessel

模型建好后，將船模導入到STAR-CCM+中。

1.3 計算域和網(wǎng)格生成

由于船舶左右對稱，只對船舶的左側進行數(shù)值模擬計算。

計算流體域的尺寸為：船前方向取2.5 倍船長，船后方向取4.5 倍船長；船寬方向取2 倍船長；船底下方取2倍船長，船體上方取1倍船長。

計算域包括了背景域和重疊域兩個部分。建立的數(shù)值試驗池的頂部、底部以及入口使用速度入口，兩側側面使用對稱面，出口使用壓力出口。如圖2所示。

圖2 計算域Fig.2 Computational domain

在STAR-CCM+軟件內對計算域以及模型進行網(wǎng)格劃分，采用了重疊網(wǎng)格法。為了保證計算結果的精確性，對船體周圍特別是船首船尾處進行了局部加密，并且對自由液面處也進行了局部加密。為了避免反射，使用STAR-CCM+的VOF 波阻尼功能進行消波。運動模擬使用DFBI（Dynamic Fluid Body Interaction）進行求解。模擬時長取100 s。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation

2 網(wǎng)格及時間步長敏感性研究

為了保證網(wǎng)格密度以及時間步長取值的合理性，以裸船模型為對象進行對比分析，以為比率將網(wǎng)格基準尺寸及時間步長進行改變，對生成的所有方案進行計算，航速均取16 kn。對比分析得到的總阻力大小以驗證敏感性。如表2和表3所示。

表2 網(wǎng)格密度敏感性方案Tab.2 Grid density sensitivity scheme

表3 時間步長敏感性方案Tab.3 Time step sensitivity scheme

結果繪制成曲線圖如圖4和圖5所示。

圖4 網(wǎng)格密度敏感性Fig.4 Grid density sensitivity

圖5 時間步長敏感性Fig.5 Time step sensitivity

可以看出，分別以網(wǎng)格密度和時間步長為變量得出的系列總阻力趨向于穩(wěn)定，由此可以保證數(shù)值模擬的網(wǎng)格密度及時間步長對計算結果沒有大的影響?？紤]到計算結果精確度以及計算資源耗費，最終選取網(wǎng)格尺寸為1.0 m，網(wǎng)格總數(shù)約為1.4×106個，時間步長為0.015 s的方案。

3 阻力計算結果

取10 kn，13 kn，16 kn，20 kn四個航速，基于CFD 技術得出了此船裸船體的阻力計算曲線，計算時長為100 s，如圖6 所示，阻力結果如圖7 和表4所示。由于數(shù)值模擬只針對半船進行了計算，所以計算得到的阻力的兩倍才是全船的阻力，總阻力由摩擦阻力和壓阻力組成。

表4 阻力計算結果Tab.4 Resistance calculation results

圖6 雙體船各航速總阻力曲線Fig.6 Total resistance curve of catamaran at each speed

圖7 阻力結果曲線Fig.7 Resistance result curve

可以得出結果：對于本船，總阻力隨著航速的增加而增大，在總阻力中，壓阻力的占比大于摩擦阻力，減小壓阻力是優(yōu)化此船舶總阻力的有效手段之一。

4 優(yōu)化方法及結果分析

4.1 優(yōu)化方法

對船舶阻力的優(yōu)化有很多種，如減小船體表面粗糙度，優(yōu)化船型，加裝壓浪板等。

由于加裝壓浪板的方法對于本船來說相對較為簡易，所以本文將加裝壓浪板作為優(yōu)化方法，尾壓浪板指位于船體艉封板處沿船體底板向后延伸的一塊短板，尾壓浪板通常有一定的安裝角度θ，指的是壓浪板與水平面的夾角，如圖8 所示，壓浪板的長度可取船長的1%-2%［16］，綜合考慮，本文設計的尾壓浪板的長度取船長的2%，安裝角取0°，5°，7°，厚度均取30 mm。最終得到三種壓浪板的方案，壓浪板的參數(shù)如表5所示。

表5 壓浪板參數(shù)Tab.5 stern flap parameters

圖8 壓浪板示意圖Fig.8 Schematic diagram of stern flap

4.2 減阻效果分析

本文針對船舶裸船體及壓浪板的三種安裝方案，計算10 kn，13 kn，16 kn，20 kn四種航速下的船舶總阻力，如表6所示。

表6 各方案總阻力Tab.6 Total resistance of each scheme

可以繪制出各個方案的總阻力曲線，如圖9所示。

圖9 各方案總阻力曲線Fig.9 Total resistance curve of each scheme

由計算結果可以分析出：在實船航速大于等于13 kn 時，在船尾加裝壓浪板的減阻效果十分明顯，減阻效果均處于3.99%及以上，最大減阻效果達到了8.18%，在16 kn 和20 kn 航速時，安裝角為5°、7°的壓浪板的減阻效果優(yōu)于0°壓浪板；在13 kn 航速時，各壓浪板方案減阻效果接近；在實船航速為10 kn 時，在船尾加裝壓浪板的減阻效果比較差，幾乎失去了減阻效果。壓浪板的減阻效果主要是因為安裝了壓浪板之后，通過增加船體的虛長度影響尾部的流場［17］，降低尾部相應波區(qū)的波高，減少船舶的興波阻力，進而減少船舶總阻力，可見本文4.4節(jié)的波形圖分析。

4.3 船舶航態(tài)分析

4.3.1 升沉分析

本文還分析了在船尾加裝壓浪板對于船舶航態(tài)中的升沉的影響，如表7所示。

表7 各方案升沉量Tab.7 Heave of each scheme

可以繪制出各個方案的升沉量曲線，如圖10所示。

圖10 各方案升沉量曲線Fig.10 Heave curve of each scheme

由計算結果可以分析出：加裝壓浪板對于船舶航態(tài)的升沉有著一定的影響，在16 kn以及20 kn的較高航速下，加裝壓浪板對升沉量的降低效果較大，均處于13.19%及以上，最大降低效果達到了59.91%；在其他航速下，加裝安裝角為0°時的壓浪板對于升沉量的降低效果相對較小；各航速下加裝安裝角為5°的壓浪板對于船舶升沉量的降低效果均大于安裝角為0°的壓浪板，安裝角為7°的壓浪板的降低效果大于安裝角為5°的壓浪板。

4.3.2 縱傾分析

本文還分析了在船尾加裝壓浪板對于船舶航態(tài)中的縱傾的影響，如表8所示。

表8 各方案縱傾角Tab.8 Trim angle of each scheme

可以繪制出各個方案的縱傾角曲線，如圖11所示。

圖11 各方案縱傾角曲線Fig.11 Trim angle curve of each scheme

由計算結果可以分析出：加裝壓浪板對于船舶航態(tài)的縱傾角有著一定的影響，在各個航速下，對于縱傾角的降低效果均處于9.80%及以上，最大降低效果達到了102.64%；加裝安裝角為5°的壓浪板對于船舶縱傾角的降低效果大于安裝角為0°的壓浪板，安裝角為7°的壓浪板的降低效果大于安裝角為5°的壓浪板。需要注意，當加裝安裝角為7°的壓浪板后，船舶在10 kn 航速下航行時，可能會出現(xiàn)輕微的艏傾現(xiàn)象。

4.3.3 航態(tài)改變分析

加裝壓浪板可以改變航態(tài)主要是因為在船舶航行過程中，壓浪板可以使船舶產(chǎn)生附加力矩，進而改變船舶的航態(tài)。

4.4 波形圖分析

將實船16 kn（Fr=0.602）時的裸船體以及安裝角分別為0°、5°、7°的壓浪板方案的波形圖進行對比分析，波形圖所處時刻均為結果穩(wěn)定處的相同時刻，如圖12至圖15所示。

圖12 裸船體16 kn波形圖Fig.12 16 kn waveform of bare hull

圖13 0°壓浪板16 kn波形圖Fig.13 16 kn waveform of 0°stern flap

圖14 5°壓浪板16 kn波形圖Fig.14 16 kn waveform of 5°stern flap

圖15 7°壓浪板16 kn波形圖Fig.15 16 kn waveform of 7°stern flap

波形斜視圖如圖16至圖19所示。

圖16 裸船體16 kn波形斜視圖Fig.16 Oblique view of bare hull 16 kn waveform

圖17 0°壓浪板16 kn波形斜視圖Fig.17 Oblique view of 16 kn waveform of 0°stern flap

圖18 5°壓浪板16 kn波形斜視圖Fig.18 Oblique view of 16 kn waveform of 5°stern flap

圖19 7°壓浪板16 kn波形斜視圖Fig.19 Oblique view of 16 kn waveform of 7°stern flap

由波形圖可以看出，安裝壓浪板的船體，虛長度比裸船體稍長，而安裝角為5°及7°的壓浪板的虛長度更長。壓浪板的安裝會有效降低尾部相應波區(qū)的波高值，降低船舶興波阻力，最終降低船舶的總阻力。

5 結論

文章基于CFD方法對本雙體船的阻力進行了數(shù)值模擬計算，對四個航速下的總阻力進行分析，在總阻力中，壓阻力的占比大于摩擦阻力。

在船尾加裝壓浪板可以降低此船的阻力，并且改變船舶航行時的升沉量、縱傾角。阻力方面：隨著航速增加，壓浪板的減阻效果也隨之增大，在較高航速時，減阻效果尤為明顯。且在給定的安裝角范圍內，隨著船體加裝壓浪板的安裝角角度增加，減阻效果也隨之增大；升沉量方面：在較高航速時，對升沉量的降低效果尤為明顯。在給定的安裝角范圍內，隨著壓浪板的安裝角角度增加，升沉量降低效果也隨之增大；縱傾角方面：在各個航速下，對于船舶縱傾角都有一定的降低效果。在給定的安裝角范圍內，隨著壓浪板的安裝角角度增加，縱傾角降低效果也隨之增大。

綜上所述，在船尾加裝合適的壓浪板對雙體船的阻力性能有一定的改善效果，同時也能改變船舶的航態(tài)，可以為本船的性能優(yōu)化提供參考。