基于融合數(shù)值計(jì)算和船模實(shí)驗(yàn)的超大型油輪下沉量計(jì)算研究

張焯，史欣怡

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)南山（山東）天然氣有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；2.山東港通工程管理咨詢(xún)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

近年來(lái)，隨著全球低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及各國(guó)之間貿(mào)易往來(lái)更加頻繁，船舶逐漸朝大型化方向發(fā)展。超大型船舶由于其巨大的裝載能力使得船舶運(yùn)輸貨物的效率提升，降低了航運(yùn)行業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是伴隨著超大型船舶的迅速發(fā)展，運(yùn)輸安全矛盾突顯。尤其是超大型船舶航行在受限水域時(shí)，其下沉量、岸壁效應(yīng)和淺水效應(yīng)等變化十分明顯。在受限水域航行的超大型船舶，由于船底水深變淺，船體水流流速增加，船底受到的壓力減小，產(chǎn)生較為明顯的船體下蹲現(xiàn)象，進(jìn)而造成擱淺等事故。

對(duì)于船體下蹲的計(jì)算方法主要有以下四種：理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)公式、船模試驗(yàn)和數(shù)值模擬?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)大多數(shù)研究都僅存在于理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式方面。本文以超大型油輪為研究對(duì)象，分別通過(guò)數(shù)值計(jì)算和船模試驗(yàn)的方法，對(duì)不同的航速、水深、航道寬度以及船舶偏離航道中心的距離等情景下船舶的下蹲量開(kāi)展研究。

1 數(shù)值計(jì)算模型及求解

1.1 數(shù)值求解方法

本文基于商業(yè)CFD 軟件STAR-CCM+完成了數(shù)值計(jì)算模型的前處理、數(shù)值計(jì)算以及后處理。利用STAR-CCM+求解RANS 方程，基于有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）來(lái)做流體計(jì)算域的離散。基于一階歐拉差分法做時(shí)間離散；基于二階梯度來(lái)做擴(kuò)散項(xiàng)，捕捉自由液面通過(guò)采用VOF 法。自由液面的確定是利用了VOF 網(wǎng)格單元中流體的體積分?jǐn)?shù)，其守恒形式的輸運(yùn)方程為：

其中，α為體積分?jǐn)?shù)，其值為0～1，表示網(wǎng)格中不同相流體的體積與網(wǎng)格體積的比值。

1.2 船型參數(shù)

本文針對(duì)超大型油輪標(biāo)準(zhǔn)船模進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過(guò)SIMMAN2014 得到超大型油輪的船體模型，如表1 所示。

表1 船型參數(shù)

1.3 計(jì)算設(shè)置與網(wǎng)格劃分

基于超大型油輪的模型試驗(yàn)（λ=75）數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的結(jié)果。在矩形水池中進(jìn)行模型試驗(yàn)，設(shè)置固定的航速U 和不同的偏移量ywall，如圖1 所示。水池的寬度W 可在2.5B 與9.05B 之間變化，水深在1.1T到8T 的范圍之內(nèi)。詳細(xì)參數(shù)如表2 所示。

圖1 模型試驗(yàn)參數(shù)示意圖

表2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)表

超大型油輪計(jì)算域和邊界條件如圖2 所示。速度入口邊界在船體前方，壓力出口邊界在船體后方；船體表面、水池兩側(cè)壁和水池底部均為無(wú)滑移壁面邊界；模擬自由表面基于VOF 法。在入口和出口處分別設(shè)置長(zhǎng)度為10m 的數(shù)值阻尼消波器，是為了減少入口和出口邊界處波的反射。

圖2 KVLCC2 的計(jì)算域及邊界條件

2 結(jié)果分析

2.1 W=9.05B，船位于航道中心

船舶在不同航速下，不同水深吃水比的總阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果和總下沉量的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，可以明顯得出，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)（EFD）吻合度較好。

船舶在不同水深吃水比、航速和傅汝德數(shù)時(shí)的阻力系數(shù)以及總下沉量的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如下圖所示。受水深的影響較為明顯的是阻力系數(shù)，且隨水深的增大而減??；隨航速和傅汝德數(shù)的增大而增大的是下沉量，且隨水深的增大而減小。

圖3 不同h/T 下總阻力和總下沉量數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

2.2 W=5B，船位于航道中心

在窄航道，不同水深（1.1T～1.5T）情況下，超大型油輪阻力和下沉量的數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別如下圖所示。對(duì)比Lataire 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和由D&F 法得到的結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果。數(shù)值計(jì)算的下沉量其值較實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小，但與實(shí)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)果在變化趨勢(shì)上一致。

圖4 阻力系數(shù)與h/T 的關(guān)系

2.3 W=5B，船舶偏離航道中心

數(shù)值計(jì)算的值低于Lataire 等的結(jié)果的原因是由于理論結(jié)果考慮了螺旋槳的作用。結(jié)果表明ywall 會(huì)影響船體所受的水動(dòng)力，當(dāng)船舶靠近岸壁時(shí)，水動(dòng)力會(huì)增大。

圖5 數(shù)值計(jì)算的阻力系數(shù)與ywall 的關(guān)系

3 船模試驗(yàn)

試驗(yàn)擬采用模型縮尺比1:90 的超大型油輪為研究對(duì)象進(jìn)行船池試驗(yàn)，同時(shí)數(shù)值模擬全速、中速和半速航行在不同水深條件下的航行特性。通過(guò)系列計(jì)算，得到超大型油輪在三種航速下、四種水深吃水比情況下的無(wú)因次和有因次的船體下沉量，據(jù)此得到船體下沉量隨航速和水深變化規(guī)律。

圖6 船模試驗(yàn)

圖7 超大型油輪在不同速度和水深與下沉量的變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)比數(shù)值實(shí)驗(yàn)和船模試驗(yàn)結(jié)果可知，船舶在不同速度和水深情況下，下沉量的變化趨勢(shì)上基本一致，船模試驗(yàn)較數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏大。

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬、船模試驗(yàn)的方法，對(duì)船舶在不同工況下的阻力和下蹲特性進(jìn)行了研究，數(shù)值計(jì)算和船模試驗(yàn)的結(jié)果吻合較好。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得到以下結(jié)論：對(duì)于超大型油輪，影響船體下沉量的重要因素是航速和水深吃水比。水深吃水比一定時(shí)，船體下沉量隨著航速的增大逐漸增加；航速恒定時(shí)，船體下沉量隨著水深吃水比的減小也是逐漸增加，且水深吃水比越小，下沉量的增加越快。船舶靠近岸壁航行時(shí)，下沉量受岸壁效應(yīng)的影響也會(huì)增加。因此，船舶航行在淺航道和窄航道時(shí)的下蹲現(xiàn)象不容忽視。

此外，對(duì)于超大型油輪而言，在水池寬度較大時(shí)，壓阻力占主導(dǎo)地位。通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果具有較高的可靠性。因此，CFD 可以作為研究船舶阻力和下蹲的有力工具。