基于STAR-CCM+的海上風(fēng)電運(yùn)維母船水動(dòng)力性能分析

摘" " 要：船舶阻力直接影響船舶的快速性，船舶耐波性直接影響船舶的舒適性，因此需要對(duì)二者進(jìn)行計(jì)算分析。本文選取兩艘海上風(fēng)電運(yùn)維母船作為研究對(duì)象，使用STAR-CCM+軟件，基于重疊網(wǎng)格和VOF方法建立數(shù)值模型，計(jì)算船型的靜水阻力和在規(guī)則波下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)船舶的水動(dòng)力性能做出預(yù)報(bào)。將兩船型的水動(dòng)力性能進(jìn)行對(duì)比，分析兩船型的性能優(yōu)劣，為運(yùn)維母船的船型選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：運(yùn)維母船；CFD；重疊網(wǎng)格；靜水阻力；耐波性；STAR-CCM+

中圖分類號(hào)：U661.1" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Hydrodynamic Performance Analysis of Offshore Wind Farm Maintenance Vessel Based on STAR-CCM+

SONG Zhifei，" CHEN Chaohe

（ South China University of Technology，" Guangzhou 510641 ）

Abstract： Ship resistance directly affects the speed of the ship， and ship seakeeping directly affects the comfort of the ship. Therefore， it is necessary to calculate and analyze both. This article selects two wind farm maintenance vessels as research objects， uses STAR-CCM+ software， establishes numerical models based on overlapping grids and VOF methods， calculates the hydrostatic resistance and the motion response under regular waves of the ship type， compares with the results of physical model experiments， and makes predictions on the hydrodynamic performance of the ships. Compare the hydrodynamic performance of two ship types， analyze the performance advantages and disadvantages of the two ship types， and provide reference for the selection of ship types for wind farm maintenance vessel.

Key words： wind farm maintenance vessels;" CFD; overlapping grid;" hydrostatic resistance;" seakeeping;" STAR-CCM+

1" " "引言

近年來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，為保障海上風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)營(yíng)，越來(lái)越多的風(fēng)電運(yùn)維船開始建造使用[1]。在風(fēng)電發(fā)展早期，我國(guó)的風(fēng)電運(yùn)維船以小型交通型運(yùn)維艇為主[2]。隨著我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)逐漸向深遠(yuǎn)海發(fā)展，運(yùn)維船所面臨的天氣條件和海況更加惡劣，相對(duì)較小的船只會(huì)造成傾覆的重大風(fēng)險(xiǎn)[3]，交通型運(yùn)維艇不再滿足生產(chǎn)需要，海上風(fēng)電運(yùn)維母船應(yīng)運(yùn)而生[4]。為應(yīng)對(duì)惡劣的海況環(huán)境，確保運(yùn)維母船的安全，針對(duì)此類船舶的船型選擇極其重要?；贑FD的水動(dòng)力性能計(jì)算分析可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船型的快速性與耐波性，在運(yùn)維母船的設(shè)計(jì)階段具有必要性。

目前CFD技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用到了船舶的水動(dòng)力計(jì)算當(dāng)中，基于CFD技術(shù)的數(shù)值模擬也成為研究風(fēng)電運(yùn)維船的重要手段。馮珺[5]使用CFD仿真軟件FINE/Marine對(duì)雙體運(yùn)維船的阻力性能和水動(dòng)力性能進(jìn)行了模擬。曹天舒[6]等使用CFD軟件STAR-CCM+對(duì)雙體運(yùn)維船的靜水阻力進(jìn)行了模擬分析，得出了片體距離對(duì)阻力性能的影響。謝云平[7]等基于CFD技術(shù)，分析了抗扭箱對(duì)風(fēng)電運(yùn)維船航態(tài)及阻力性能的影響。熊志鑫[8]等使用STAR-CCM+軟件計(jì)算了雙體船在靜水和規(guī)則波下的阻力，得出了雙體船的阻力系數(shù)和波浪增阻系數(shù)曲線。

2" " 數(shù)值模型

2.1" 計(jì)算模型

本文選取64.5 m單體運(yùn)維母船和66 m雙體運(yùn)維母船作為研究對(duì)象。為提高計(jì)算效率，采用1：20縮尺比進(jìn)行數(shù)值建模，同時(shí)取模型的一半進(jìn)行仿真計(jì)算。將坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)置在模型重心處，船艏方向?yàn)閄軸正方向，左舷方向?yàn)閅軸正方向，垂直向上為Z軸正方向。采用STAR-CCM+建立的數(shù)值模型如圖1所示，模型主尺度參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2" "控制方程

本文基于CFD方法研究船舶的水動(dòng)力性能。在笛卡爾坐標(biāo)系下，對(duì)于三維連續(xù)、非定常、不可壓縮流體的連續(xù)方程和動(dòng)量方程分別為：

（1）

（2）

式中：ρ為流體密度，kg/m3；

ui、uj為平均速度分量，m/s；

xi、xj為坐標(biāo)系分量，m；

μ為動(dòng)力粘性系數(shù)，Pa·s；

為雷諾應(yīng)力項(xiàng)，Pa。

采用SST" k- ω湍流模型，式（3）和式（4）為其表達(dá)形式：

（3）

（4）

式中：σk、σω為湍流特朗普數(shù)；

、Gω為衍生項(xiàng)；

Yk、Yω為耗散項(xiàng)；

Dω為交叉擴(kuò)散項(xiàng)。

2.3" "數(shù)值水池的建立

流體域建立過(guò)程中，考慮到船舶的對(duì)稱性，取運(yùn)維船模型的左半部分進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算域尺寸為：-3LPPlt;xlt;2LPP，0lt;ylt;2LPP，-2LPPlt;zlt;LPP。水池的入口、頂部和底部設(shè)置為速度進(jìn)口，側(cè)面設(shè)置為對(duì)稱平面，出口設(shè)置為壓力出口，船體表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。同時(shí)，數(shù)值水池由背景區(qū)和重疊區(qū)組成，流體區(qū)域劃分如圖2所示。

流體域網(wǎng)格劃分如圖3所示，網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)網(wǎng)格生成器，選擇體網(wǎng)格、切割體網(wǎng)格、棱柱層網(wǎng)格等模型。為準(zhǔn)確制造波浪及獲取物理量，對(duì)自由液面和船體表面進(jìn)行加密處理。為避免船舶運(yùn)動(dòng)幅度過(guò)大引起的網(wǎng)格變形，運(yùn)用重疊網(wǎng)格技術(shù)求解船體在波浪中航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。在船體表面處設(shè)置6層棱柱層網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)y+值為40。

3" " 無(wú)關(guān)性驗(yàn)證分析

3.1" "靜水阻力無(wú)關(guān)性分析

為了提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，對(duì)網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行了無(wú)關(guān)性分析。選取單體船模型為計(jì)算對(duì)象，取實(shí)船20 kn工況，對(duì)應(yīng)模型航速2.3 m/s。網(wǎng)格細(xì)化率取" " ，對(duì)網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸分別取0.1 m、0.144 m、0.2 m和0.288 m，對(duì)應(yīng)網(wǎng)格總數(shù)分別為214萬(wàn)、85萬(wàn)、38萬(wàn)、18萬(wàn)。時(shí)間步長(zhǎng)取0.003 s、0.005 s、0.01 s、0.02 s、0.04 s。計(jì)算結(jié)果如圖4所示，在取網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為0.141 m、取時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s時(shí)，可以兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率。

3.2" "耐波性無(wú)關(guān)性分析

耐波性計(jì)算中，網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長(zhǎng)的選取對(duì)造波的準(zhǔn)確性會(huì)有較大影響，進(jìn)而影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。選取單體船型為計(jì)算對(duì)象，取實(shí)船零航速、波高2 m工況，對(duì)應(yīng)模型波高0.1 m。對(duì)網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸分別取0.0707m、0.1 m、0.144 m和0.2 m，對(duì)應(yīng)網(wǎng)格總數(shù)分別為 897萬(wàn)、347萬(wàn)、132萬(wàn)、52萬(wàn)。時(shí)間步長(zhǎng)取0.002s、0.003 s、0.004 s、0.006 s、。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5?；谟?jì)算結(jié)果可得，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸取0.1 m，時(shí)間步長(zhǎng)取0.003s，可以兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率。

基于上述無(wú)關(guān)性分析，對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。單體船型網(wǎng)格總數(shù)為347萬(wàn)；雙體船型網(wǎng)格總數(shù)為291萬(wàn)。

4" " 物理模型試驗(yàn)建立

本試驗(yàn)于華南理工大學(xué)拖曳水池實(shí)驗(yàn)室開展，該水池長(zhǎng) 120 m、寬 8 m、深 4 m，拖車最大航速為5 m/s，精度為0.001 m/s。裝備搖板式造波機(jī)，波浪周期范圍為0.4～4 s，規(guī)則波最大波高為0.3 m。采用四自由度適航儀測(cè)量船模的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，采用拉力計(jì)測(cè)量船模的阻力信號(hào)。為適配水池進(jìn)行試驗(yàn)，采用1： 20的縮尺比制作船模外殼。使用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量架調(diào)整船模的重量重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使其與數(shù)值模型保持一致。船模的安裝與試驗(yàn)如圖6所示。

5" " "結(jié)果對(duì)比分析

5.1" "橫搖自由衰減分析

橫搖阻尼極大地影響了船舶的橫穩(wěn)性，基于CFD方法模擬兩船型在初始橫傾角為15°時(shí)的橫搖衰減曲線如圖7所示。雙體船擁有較大的船體寬度，有著橫穩(wěn)性強(qiáng)縱穩(wěn)性弱的特點(diǎn)。基于計(jì)算結(jié)果可以得出單體船的和雙體船的橫搖衰減周期分別為1.32 s和1.59 s，由此可得兩船型的橫搖無(wú)因次衰減系數(shù)分別為0.05和0.067，這說(shuō)明雙體船型的橫搖穩(wěn)定性優(yōu)于單體船型。同時(shí)，橫搖無(wú)因次衰減系數(shù)可為勢(shì)流計(jì)算中橫搖附加阻尼的選取提供依據(jù)。

5.2" "靜水阻力分析

基于模型試驗(yàn)和CFD計(jì)算對(duì)兩船型的阻力性能進(jìn)行分析。根據(jù)工程實(shí)際需求，取計(jì)算工況為實(shí)船8～20 kn，對(duì)應(yīng)傅氏數(shù)Fr為0.164～0.407。所得到的靜水阻力、縱傾值和升沉值如圖8所示。縱搖值取艏傾為正，升沉值取上浮為正。

如圖所示，STAR-CCM+模擬得到阻力值與試驗(yàn)值較為契合，單體船型的各航速誤差均小于3%，雙體船型在高速工況下誤差稍大，但各航速的誤差均小于9%。這說(shuō)明CFD計(jì)算所得兩船型阻力值與試驗(yàn)吻合良好，使用CFD模擬船舶阻力具有較強(qiáng)的可信度。在較低航速下，雙體船型的靜水阻力值略大于單體船型。但隨著航速的增大，單體船型阻力值增長(zhǎng)較快，雙體船阻力增長(zhǎng)較慢，且在0.32lt;Frlt;0.36時(shí)出現(xiàn)了明顯的阻力下降。為進(jìn)一步研究雙體船型阻力下降原因，將船舶阻力分為摩擦阻力和壓差阻力，兩種阻力大小如圖9所示?？梢?jiàn)，雙體船型的摩擦阻力隨航速的增大穩(wěn)定增大，壓差阻力在較高航速時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)，此現(xiàn)象由兩片體興波的相互干擾造成，在特定航速下出現(xiàn)了利于阻力性能的有利干擾。

由縱傾角曲線和升沉曲線可見(jiàn)，CFD模擬值與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。兩船型的縱傾角隨航速的增大均穩(wěn)定增加，其中單體船型的縱傾角更小，說(shuō)明單體船型具有較優(yōu)的縱穩(wěn)性。在Frlt;0.25時(shí)，單體船型的升沉值變化較小，在Frgt;0.25時(shí)，升沉量變化較大，雙體船型的升沉量隨航速增大穩(wěn)定增大。在絕大部分工況下，單體船型的縱搖和升沉幅值均小于雙體船型，這說(shuō)明單體船型在靜水環(huán)境下的航態(tài)更加穩(wěn)定。

選取兩船型實(shí)船10 kn、15 kn、19 kn三組航速，截取自由面波形圖如圖10所示。由波形圖可見(jiàn)，在相同航速條件下，雙體船型的興波范圍更大。同時(shí)，雙體船兩片體之間形成了興波干擾，在不同航速下對(duì)船體的壓差阻力具有較大影響。由上述結(jié)果可得，雙體船型在靜水阻力性能方面更具優(yōu)勢(shì)，而單體船在航態(tài)方面更具優(yōu)勢(shì)。

5.3" "規(guī)則波耐波性分析

為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文選取單體船型迎浪零航速工況的CFD計(jì)算值與水池模型試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，用以確定CFD在船舶耐波性耐波性計(jì)算中的可靠性。迎浪零航速工況波長(zhǎng)取0.5≤λ≤7.1，波高取100 mm。圖11為單體船型的縱搖和升沉無(wú)因次結(jié)果，其中θ為縱搖角，k為波數(shù)，ζ為波幅，Z為升沉量。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合程度良好，絕大部分工況誤差均在8%以內(nèi)，這說(shuō)明了STAR-CCM+軟件在船舶耐波性計(jì)算方面有較強(qiáng)的可靠性。

取實(shí)船航速8 kn、10 kn、15 kn（分別對(duì)應(yīng)運(yùn)維母船的低速、正常航速、高速工況）進(jìn)行耐波性計(jì)算，對(duì)應(yīng)模型航速為0.919 m/s、1.15 m/s、1.724 m/s，波長(zhǎng)取0.7≤λ≤2.2，波高取100 mm。圖12和圖13為迎浪各航速下兩船型的縱搖和升沉無(wú)因次結(jié)果。

從縱搖響應(yīng)曲線看，單體船型的縱搖響應(yīng)隨波長(zhǎng)的增加而增大，雙體船則是呈先增大后減小的趨勢(shì)。同時(shí)，單體船型的縱搖響應(yīng)曲線變化相對(duì)平穩(wěn)順滑，而雙體船型縱搖響應(yīng)曲線兩端的變化速度較快。整體而言，在0.7≤λ≤1.0時(shí)，兩船型的縱搖響應(yīng)均較小；在1.0≤λ≤1.6時(shí)，單體船型縱搖響應(yīng)持續(xù)增大，雙體船型縱搖響應(yīng)較大，達(dá)到響應(yīng)極值，單體船型運(yùn)動(dòng)響應(yīng)優(yōu)于雙體船型；在1.6≤λ≤2.2時(shí)，單體船型縱搖響應(yīng)趨于穩(wěn)定，雙體船型響應(yīng)幅值逐漸變小，雙體船型運(yùn)動(dòng)響應(yīng)優(yōu)于單體船型。在升沉響應(yīng)方面，單體船型的縱升沉響應(yīng)曲線變化相對(duì)平穩(wěn)順滑，在中低速雙體船型升沉響應(yīng)曲線在λ≥2.0時(shí)出現(xiàn)較快增大，在大部分工況下雙體船型的升沉響應(yīng)幅值小于單體船型。

6" " "結(jié)論

1）本文使用基于網(wǎng)格重疊技術(shù)的CFD方法預(yù)報(bào)了運(yùn)維母船的靜水阻力性能和規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)性能，計(jì)算結(jié)果與水池試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，證明了CFD方法預(yù)報(bào)運(yùn)維船水動(dòng)力性能的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

2）在靜水航行時(shí)，雙體船型的縱搖和升沉值明顯大于單體船型，在航速大于16 kn時(shí)，兩片體之間形成良性干擾，出現(xiàn)了阻力下降的現(xiàn)象，使得雙體船型的靜水阻力明顯優(yōu)于單體船型。

3）橫搖穩(wěn)定性上，雙體船型優(yōu)于單體船型。在縱搖穩(wěn)定性上，單體船型的運(yùn)動(dòng)相應(yīng)較為穩(wěn)定，雙體船型的RAO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線變化較為劇烈。

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