基于CFD 的風電雙體運維船片體間距優化研究

楊鈴玉，陳 悅

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江212003)

0 引言

海上風電是一項龐大的系統工程，其運營維護是不可缺少的重要組成部分，因而用于海上風電場維護的船舶有著廣闊的發展前景［1］。考慮海上風電場主要集中在沿海，甚至有向近海發展的趨勢，因此運維船應具有優良的航海性能，尤其是對快速性往往有較高的要求。

目前，在船舶快速性研究中，阻力預報主要有船模試驗和數值模擬等2種方法。船模試驗雖能較好地得到阻力預報結果，但要消耗一定的人力和物力，且時間上往往不允許。CFD技術應用越來越普遍，其不僅能夠大大節省時間，在人力和物力的投入上也有著很明顯的優勢，但其仿真結果如用通常的方法則因船型不同存有一定的差異。為此，本文首先選取片體形狀特殊的雙體船船型作為研究對象，并利用船模試驗結果來尋求CFD的仿真方法，然后通過改變雙體船片體間距進行系列仿真，得到阻力性能優良的雙體運維船型，從而為海上風電運維雙體船船型設計提供一些參考。

1 雙體運維船船型與船模

1.1 船型

根據風電場運維船的使用要求和特點，海上風電比較發達的歐美國家，一般使用小型雙體船接送人員出入以及進行日常的風機維護工作。

雙體船由于具有較大的型寬和片體間距，因此具有良好的橫搖緩和性能。雙體船中具有代表性的船型有常規雙體船、小水線面雙體船以及穿浪雙體船，其中小水線面雙體船和穿浪船型無疑是耐波性能良好的代表者。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。為此，本文在常規雙體船型的基礎上吸取了小水線面船型的優點，片體采用首尾設計水線相對瘦削、中部便于艙室布置的船型方案。

1.1.1 主要參數

本船的主要參數如下:

船長LOA21.0 m

型寬B 7.8 m

設計吃水T 1.1 m

片體寬度BS2.1 m

垂線間長Lpp 19.0 m

型深D 2.1 m

方形系數Cb0.43

片體間距b 5.7 m

設計航速 20 kn

1.1.2 型線特征

本船為小水線面雙體船，綜合考慮靜水阻力、耐波性及艙室布置等因素，船中部水線附近不宜過分窄，所以設計出從船中部向首尾兩端逐漸過渡到小水線面的船型，水線附近水線面加劇減小，最終首尾兩端呈現出類似球首球尾的形狀。這樣的設計主要是能減小船舶阻力并且能增加縱搖阻尼。同時，使尾部伴流較為均勻，可以減小螺旋槳激振力，從而提高推進效率。其橫剖線如圖1所示。

圖1 橫剖線圖

1.1.3 片體位置

該船型片體位置如圖2所示。

圖2 片體位置示意圖

1.2 船模

本試驗所用模型是根據設計圖紙，按照1:10的縮尺比制作而成，如圖3所示。利用此模型，在江蘇科技大學拖曳水池中進行靜水阻力試驗。

圖3 海上風電雙體運維船模型圖

2 CFD仿真方法驗證

2.1 仿真方法

2.1.1 CFD仿真軟件簡介

FINE/Marine是NUMECA公司為船舶與海洋工程打造的專業CFD軟件包，包含全六面體非結構網格生成器 HEXPRESS、功能強大的后處理工具CFVIEW以及由法國國家科學院開發的不可壓粘性流場求解器ISIS-CFD。FINE/Marine對于船舶工程問題的模擬，無需進行二次開發就可以通過界面方便設置。

2.1.2 計算網格生成

對上述所建模型以parasolid格式的幾何文件導入到FINE-Marine中進行數值仿真計算，分析其阻力性能。根據雙體船的對稱性，取其中一個片體進行計算，這樣在保證計算結果的前提下節省了網格數量。將船體幾何文件導入至網格生成器HEXPRESS中生成遠場邊界，并在船舶設計吃水處添加自由液面。

(1)生成初始網格，將計算域外部邊界圍成的區域均勻劃分初始網格。

(2)網格適應:按曲率、間隙、目標網格單元尺寸等準則在需加密的地方自動細化網格，并刪除所有與計算域邊界相交和位于計算域外的網格單元。

(3)吸附和優化:將適應后的網格投影到模型外形上，并自動吸附到所有的角點和棱邊，生成貼體網格，并優化網格質量。

(4)插入邊界層網格:將緊鄰物面的一層網格進行拆分細化成若干層網格，快速生成邊界層網格。

最終生成的全六面體非結構網格如圖4所示。

圖4 計算網格

2.1.3 計算參數設置

將生成好的網格文件保存并導入至FINE/Marine中進行計算參數設置。計算參數主要包括計算狀態參數、邊界條件參數、體定義、體運動參數、計算初始化參數、數值方法參數和計算控制參數。其中在邊界條件參數設置時，分為船體表面的物面邊界條件和計算域外邊界，船體表面甲板面設置為滑移壁面，其余表面均設置為固壁。計算域外邊界的頂部和底部設置為壓力面，其他設為遠場邊界。

2.2 結果對比分析

通過改變速度設置，可以得到在不同傅汝德數時的阻力值，表1將模型試驗與數值仿真結果進行了對比。實驗值與仿真值的對比分析圖見圖5。

表1 模型試驗與數值仿真阻力值比對表

圖5 實驗值與仿真值的對比分析圖

由以上比較分析可知，試驗阻力值與數值仿真的阻力值結果較為接近，因此，用數值仿真方法進行該船阻力計算是可靠的。

3 片體間距對阻力的影響

間距寬度比(b/BS)是影響阻力的主要參數之一。在上述模型的基礎上，改變雙體船的片體間距，按照上述步驟劃分網格，設置計算參數，得到船模在設計航速3.25 m/s時(對應的傅汝德數為0.73)的阻力數值。不同片體間距下船模阻力值見圖6。

由圖6可以看出，船模在間距寬度比為2.9時阻力值最小。當片體間距寬度比超過2.9后，阻力反而變大。

圖6 不同片體間距下船模阻力值

4 結論

通過分析可得出:

(1)數值仿真軟件所得船模阻力與試驗所得阻力值相比，最大誤差為5.75%，表明用該數值仿真方法進行該船阻力計算是合理的。

(2)由改變片體間距所得阻力值的對比可得，該長寬比的雙體船在傅汝德數為0.73時，基本趨勢是阻力隨片體間距增加而減小，減小到一定程度后，阻力反而逐漸加大。最佳間距寬度比應為2.9。

［1］ 劉林，葛旭波，等.我國海上風電發展現狀及分析［J］.能源技術經濟，2012，3(3):66-72.

［2］ 陳曉娜.小水線面雙體船船型優化研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

［3］ Dunna S，Bhanuprakash T V K，Das H N.Frictional Resistance Calculations on a Ship using CFD［J］.International Journal of Computer Applications，2010，11(5):24-31.

［4］ 趙連恩.高性能船舶水動力原理與設計［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2008.

［5］ 盛振邦，劉應中.船舶原理［M］.上海:上海交通大學出版社，2004.

［6］ 周翀劍，柳存根，等.高速雙體船阻力估算方法研究［J］.中國造船，2014，55(4):26-32.

［7］ 李煒，王青，等.高速排水型雙體船阻力估算的一種方法［J］.船舶工程，2007，29(4):17-20.