海上風電場維護船船型總阻力和縱搖升沉運動研究

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(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

現有的海上風電場多采用小型的船舶作為工作人員的交通和風機塔柱的維護，目前小型船舶的研究開發已比較成熟。雙體船由于具有良好的阻力性能、寬敞的甲板面積和優越的穩定性能而越來越多的被應用。評估雙體船的性能一般可以通過相關圖譜或理論公式來進行，但上述方法不能有效地反應船型變化對阻力和耐波性的影響，對于改進的雙體船，可以通過船模試驗或利用CFD軟件數值仿真來進行。本文根據海上風電場的實際情況和使用要求，分析小型單體船、雙體船、多體船對于海上風電場的實用性，擬定適合風電場較大風浪時雙體維護船型方案。

1 船型方案確定

1.1 海上風電場及風電維護船現狀

現有的海上風電機組的維修主要包括定期維護(檢查、清潔等)、故障維修(某種程度的故障檢修，如手動重啟或更換主要部件)和備件管理三部分。

海上風電場不同于陸上風電場，由于氣候條件、潮汐變化以及船舶等多種因素的制約，使得運行維護人員難以到達風機塔筒對風機進行消缺、檢修。據國外相關研究統計表明，現有的小型船舶由于耐波性能不夠，在海上風浪達到1 m左右的時候就不能出航對風電機組進行維護作業，因而會造成風電場無法正常運營。

目前，國內一些正在運行的海上風電場，如東海大橋海上風電場，主要借助于租用的船舶進行日常風機維護及工作人員的交通運輸。一般而言，租用的船噸位比較大，并且由于此類船舶自身的船型設計并不符合靠離風機塔座的要求，再加上船舶噸位較大等因素，以至于在船舶靠離風電機組的時候經常會發生撞擊塔基的情況。

1.2 海上風電場維護船使用及性能要求

海上風電維護船主要用于風電場工作人員從陸上到風電場的水上交通運輸以及日常的風機維護。考慮到航行時人員的舒適性以及工作的效率，要求維護船具有一定的耐波性及快速性能，使得風浪較大時，在保證維護人員安全的前提下可以出航作業。根據國內外正在運營的風電場維護船經驗，一般選用常規推進的小型船舶即可滿足上述使用要求，同時又能提高經濟性能。

1.3 海上風電場維護船型介紹

海上風電比較發達的歐美國家，一般使用小型的船舶接送人員出入，以及進行日常的風機維護工作，這種船舶有單體船型和雙體船型，在一定程度上提高了船舶的快速性和耐波性。

對于小型船舶，本身受波浪的影響比較大，所以在船型選擇及型線設計時，快速性能和惡劣海況下的耐波性能應是考慮的重要問題。

常規單體船型主要有圓舭形、尖舭形、深V形或者三種船型的組合船型。進入在20世紀80年代，出現了小水線面單體船(SWASH)概念，船型大體上是小水線面雙體船的單側船體。法國和日本學者提出，水下浮體為主、水翼為附屬裝置的小水線面單體船方案，正常航行時船體處于半潛狀態，具有良好的阻力性能和耐波性能[2-3]。

雙體船中具有代表性的三種船型分別為常規雙體船、小水線面雙體船以及穿浪雙體船。其中具有代表性的雙體船為穿浪雙體船(WPC)。穿浪雙體船是在小水線面雙體船和高速雙體船的基礎上發展起來的一種新型高性能排水型船舶。高速穿浪雙體船保留了小水線面雙體船的低阻，高耐波性以及常規雙體船甲板面積寬敞等優點，同時融匯了深V船型的特點，也克服了常規雙體船的連接橋離水面高度小等缺點。因此，穿浪雙體船特有的船型構造賦予其高速、優良的耐波性、穩性好、舒適、吃水淺、甲板寬敞和回旋性能好等高水平的綜合航海性能。

1.4 維護船型的確定

目前，多種多樣的船型各有利弊。單體船建造方便，但在風浪較大的海面上，小型的單體船橫搖性能比較差，容易使人員暈船，降低了工作人員乘船的舒適性，甚至由于較差的橫搖性能而危及人員的生命安全。

雙體船具有較大的型寬和片體間距，有良好的橫搖緩和性能。高耐波性雙體船型中，小水線面雙體船和穿浪船型無疑是良好耐波性能的代表者。但由于小水線面雙體船較薄的流線型支柱和較深的吃水給小型船舶主機的布置帶了一定的困難，因此并不完全適用于小型雙體船。穿浪雙體船雖綜合了小水線面雙體船和深V船型的優點，但其復雜的船體結構和尖瘦的片體形狀大大增加了建造難度和成本。為了滿足風電場的使用要求和艙室布置并借鑒國內外風電維護船型經驗，本文選用常規雙體船型，根據小水線面雙體船以及穿浪雙體船的優點進行改進，作為風電場維護船。

2 設計船主尺度系數確定

本設計船型給定主機功率為每臺370 kW，要求設計航速20 kn。根據文獻[2-6]中涉及到的雙體船尺度，對其主尺度進行了統計和歸納總結。可以看出，目前已建造的實船或是設計的船型主尺度范圍比較集中于：LPP/b=9～11；b/T=1.5～2.5；K/b=2～3；L/▽1/3=5.76～6.55。下面根據設計手冊要求及相關規范進一步確定本雙體維護船型系數。

2.1 維護船尺度系數范圍選擇

與單體船相比，由于雙體船具有較寬敞的甲板面積，因此最小船長的確定往往不取決于總布置等方面的要求，一般應從最小總阻力的觀點來確定最佳船長。對于中高速雙體船，剩余阻力占總阻力的比重較大，因此船長的選取應盡量從減小剩余阻力的角度考慮。船長的選取應盡量避免使剩余阻力處在Fr=0.40～0.60的峰值附近。

由雙體船的剩余阻力曲線(船模試驗結果)，選弗勞德數Fr=0.7～0.8，此時，剩余阻力曲線較平坦，屬于中高速雙體船。

2.1.1 片體長寬比L/b

對于中高速雙體船，隨著航速提高，摩擦阻力和剩余阻力逐漸趨于相等，片體干擾阻力占總阻力的5%～8%，剩余阻力曲線趨于平緩，變化有規律。這時，適當加大片體寬度和減小吃水和船長以爭取較小的濕表面積和降低空船重量是恰當的，一般取L/b=8～12。本設計船在參照有關資料和母型船主尺度系數范圍的基礎上，取L/b=9。

2.1.2 寬度吃水比b/T

由于雙體船的b/T對阻力的影響主要表現在片體摩擦阻力上，與普通雙體船一樣，減小片體寬度b和增大吃水T對減小摩擦阻力是有利的。因此，從降低阻力的角度考慮b/T，參考現有船舶，設計船初步定為b/T=1.5～2.0。

2.1.3 片體中心距比K/b

2.1.4 長度系數ψ=L/▽1/3

長度系數ψ=L/▽1/3是影響阻力的最主要因素，片體長度系數ψ增大，片體本身的剩余阻力減小，片體間的阻力干擾減弱特別是片體間的興波阻力附加干擾減弱。因此雙體船的長度系數在滿足使用要求的條件下可以適當取大一點。結合母型船統計資料確定ψ=L/▽1/3=5.76～6.55。

2.1.5 片體方形系數Cb

參照母型船統計資料，取Cb=0.40～0.45。

2.2 維護船主尺度確定及建模

根據2.1中確定的主尺度系數范圍并參考相關資料及設計手冊[7]，選擇船型系數范圍并根據設計要求通過VC++語言編程篩選，最終確定設計船的主尺度為LPP=19 m，D=2.1 m，B=7.8 m，T=1.1 m，b=2.1 m。

根據確定的主尺度，應用船舶設計軟件NAPA建模并調整型線，使其排水量、浮心位置、方形系數以及艙室大小等滿足設計要求。常規雙體船模型見圖1。

圖1 NAPA中生成的常規雙體船船體曲面和艏部型線

在大風浪情況下，從提高雙體船的縱搖和升沉角度考慮，結合小水線面雙體船和穿浪雙體船的船型優點，設計出一種改進船型。艏部采用深V-凸型，片體7.5站(按10站考慮)以前的艏龍骨下沉到基線以下，下沉體的橫剖面類似水滴形狀，艏部主船體部分型線在設計吃水位置片體寬度最窄，艏部橫剖線類似水滴狀見圖2b)。這種設計使得船體設計水線更加平直，進流角更小。舯部采用圓舭向折角過渡線型，艉部采用折角線型。為了滿足機艙布置的需求，本設計船在船中后機艙區域型線相對比較豐滿，改進雙體船的NAPA建模見圖2。

圖2 NAPA中生成的改進型雙體船船體曲面艏部型線

3 阻力仿真及計算分析

3.1 CFD仿真計算

3.1.1 計算區域與網格劃分

計算域的選取應既能保證對流場信息的捕捉，又可減少網格的數量。考慮到實船計算所需的流場區域大，網格數量過多，目前的計算機水平難以短時間計算出所需的結果。將設計船按10∶1的比例縮小為船模，根據船舶的對稱性，取一半的船模進行計算，這樣在保證計算結果的前提下節省了網格數量。通過對流場分析并參考文獻[8-9]對常規雙體船模選取計算區域為10L×2.5L×2L，船模水池入口距船艏2L，水深1.25L。

網格劃分采取分塊劃分的方法，船體周圍區域采用四面體網格，其它區域則采用6面體網格，網格劃分時先劃分6面體網格，再劃分船體附近的4面體網格，以利于網格之間的過渡。為了詳細捕捉流場信息，對自由液面處以及船體附近網格進行加密[10]，網格劃分見圖3。

圖3 自由液面處網格劃分示意

3.1.2 邊界條件的選取

邊界條件的選取應符合實際情況才能保證數值模擬計算更接近實際。計算區域邊界條件包括：水池入口處采用速度入口，出口處采用壓力出口、船體、池壁和底部采用壁面條件，由于采用一半的船模計算，所以在對稱面采用對稱邊界條件，水池頂部采用壁面邊界條件。具體設置如下。

1)水池入口處給定設計航速的速度場。

2)出口處邊界設為靜水壓力。

3)指定池壁和底部的剪應力為零。

4)船體表面引入標準壁面函數。

3.2 阻力結果分析與比較

Fluent計算常規和改進雙體船，數值水池穩定后的常規雙體船實船總阻力Rt=53.6 kN，改進雙體船實船總阻力為Rt=47.6 kN。先將阻力仿真結果與按照文獻[10]中的回歸公式計算得到的結果相比較，見表1。

表1 雙體船阻力結果比較

由以上比較可以得出如下結論。

1)Fluent計算常規雙體船結果與回歸公式計算結果接近，對于改進雙體船，一般經驗公式不能滿足計算需要，可用常規雙體船仿真方法計算其阻力。

2)改進雙體船型在設計水線處由于具有較小的進流角，使其阻力性能較常規雙體船型優越。

4 縱搖及升沉運動響應研究

應用NAPA基于切片理論計算的耐波性計算模塊SHS-Seakeeping，對設計載況下的雙體船片體進行縱搖及升沉運動分析計算。得到兩個船型的片體在航速V=0 kn和V=20 kn以及浪向角θ=150°和θ=180°下的縱搖及升沉運動傳遞函數。

4.1 響應函數

計算中用到的響應函數定義為

升沉：Hz(ω)=zα/ζa

縱搖：Hθ(ω)=θα/ζa

式中：za——升沉幅值，m；

θa——縱搖幅值，(°)；

ζa——波幅，m；

ω——波浪圓頻率，rad/s。

4.2 計算結果及分析

圖4、5分別表示兩種船型在不同航速、不同浪向角下的縱搖、升沉響應函數，圖中橫坐標表示波浪長度與船長之比，縱坐標表示縱搖、升沉響應幅值。

4.2.1 縱搖運動響應結果及分析

由圖4可見，維護船在停航作業時，兩種船型的縱搖幅值都比較小。在浪向角分別為150°和180°情況下，改進船型的縱搖幅值比常規船型縱搖幅值小，且波長與船長之比在1.4左右時，縱搖響應幅值達到最大。同一船型，當浪向角為150°和180°時，最大響應幅值相差不大，且隨著航速的增大，最大縱搖響應幅值逐漸變大。

4.2.2 升沉運動響應結果及分析

由圖5可見，維護船停航作業時，常規船型和改進船型的最高升沉幅值都趨于1，并且兩種船型升沉響應曲線幾近重合。當航速為V=20 kn，共振區的運動頻響函數明顯大于1，且改進船型的升沉幅值小于常規船型。航行狀態時，對于同種船型，當航速或浪向角增大時，頻率響應幅值逐漸增大。波長與船長之比在1.5左右時，升沉響應幅值達到最大。當波長大于5L時，升沉幅值逐漸趨于1。

圖4 不同浪向角下兩種船型的縱搖響應

圖5 不同浪向角下兩種船型的升沉響應

5 結論

1)雙體船的主尺度確定除了需要滿足規范要求之外，還可以參照已建成的或已設計出并得到認可的雙體船主尺度來選取。

2)雙體船主尺度的選擇跟單體船類似，需滿足相應的浮力和快速性要求。

3)Fluent仿真計算雙體船舶的靜水阻力結果比較可靠，當理論公式不能較好地適合設計船型的阻力估算時，可采用CFD數值仿真方法。

4)改進船型的艏部片體型線有效地減小了進流角，增加了船舶的縱搖和升沉阻尼，提高船舶的阻力性能，改善了船舶的耐波性能。

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