考慮水介質作用的船冰碰撞解耦方法及載荷預報

韓文棟，張 健，劉海冬，王甫超

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

考慮水介質作用的船冰碰撞解耦方法及載荷預報

韓文棟，張 健，劉海冬，王甫超

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

考慮水介質在船冰碰撞過程中水壓變化的影響，是模擬水介質中船-冰碰撞的關鍵。本文開展數值模擬的動網格技術研究，基于RANS方程和改進的雙相流流體體積函數VOF，實時預報船冰靠攏全過程中船體表面、冰體表面的壓力變化情況。得到船體表面、冰體表面的P（V）函數。進而將水介質對船冰碰撞載荷的影響簡化為對船體、冰體碰撞面預加載荷來實現，達到解耦目的。

解耦方法；RANS；壓力；船冰碰撞

0 引 言

冰島北極理事會于2004年發布的《北極人類發展報告》稱：未來數十年北極必將成為人類進行油氣勘探與開發以及海上運輸的主要場所之一[1]。北極航道的成功開辟將減少我國對常規航道的依賴、降低航運風險同時降低航運成本。但漂浮在航道內的浮冰與流動的冰山，對航行于該海域的運輸船舶構成了極大威脅，使得船冰碰撞概率大大增加。船-冰碰撞的全過程可分為船-冰遠場、船-冰近場逼近、船-冰接觸碰撞、速度為0或船-冰分離4個階段，第3階段的接觸碰撞過程中產生的瞬間強沖擊力，固然是研究船-冰碰撞最為值得關注的載荷，事實上，在船冰接觸之前的第2階段，船冰之間的水由于受到船冰的擠壓而預先產生一個高壓力場也是不可忽略的重要因素，該壓力場一方面使船冰之間產生一個降低速度的“水墊效應”，同時在船-冰結構上產生一個瞬間高壓力載荷。因此，正確模擬碰撞過程中船-水-冰三者的相互作用，是準確獲得船-冰碰撞載荷的前提。

隨著CFD學科的飛速發展，利用軟件進行數值模擬研究越來越受到關注，例如英國格拉斯哥大學的船舶與海洋工程系[2]分別利用CFD方法和船模試驗方法對水面快艇在靜水中的受力問題進行研究對比。因此，逐漸采用CFD方法模擬復雜的船舶運動流場為船舶水動力性能研究另辟途徑[3-4]。在眾多的CFD模型中，目前求解RANS方程的方法[5-8]在船舶阻力數值預報領域應用最廣。由于該方法可以涉及到非線性自由表面興波和流體粘性影響，因此其計算結果更為可靠。

船-冰碰撞過程中，不同的碰撞速度對船體的結構響應以及冰體的破損程度具有很大影響，基于船體與冰體采取迎面撞擊的模式。本文將開展基于數值模擬的動網格技術研究，建立可以有效模擬船冰大位移運動的動態網格更新技術，由于船首表面具有曲線變化，因此如何實現網格的更新是本論文的一個技術難點；然后通過基于RANS方程和改進的雙相流流體體積函數（VOF）模型，實時預報船冰靠攏全過程船體、冰體表面的壓力變化。從而構建出船體表面壓力P與相對速度V的函數關系，即P（V）函數。從而將水介質對船冰碰撞載荷的影響簡化為對船體、冰體碰撞面預加載荷來實現，達到解耦目的。

1 數值計算

1.1 三維曲面模型的創建

本文將以1艘無限航區的成品油船為研究對象，該船的主尺度見表1。考慮到水介質中船冰發生碰撞的部位主要是船首和船體的肩部，在此只對船體的首部濕表面進行縮尺建模，建模范圍為Fr150-Fr180號肋位，船首與實際模型的縮尺比λ=1∶25，通過三維建模軟件Catia創建，并將建好的曲面生成實體進行后期計算。生成后的縮尺模型如圖1所示；冰體為邊長10 m的正方體，縮尺比與船舶模型保持一致，取為λ=1∶25。

表 1 成品油船主尺度Tab. 1 Oil ship owners scale

1.2 數值計算

1.2.1 控制域設定與網格劃分

船體與冰體的初始距離L=80 cm，正方形冰體的90%位于水線面以下。整體計算域劃分為內域與外域，內域采用非結構網格，外域采用結構網格，因本文模擬的為二相流，故劃分了空氣流域與水流域，并對自由液面進行了網格細化。圖2給出了計算控制域內船、冰、流場位置關系以及網格劃分情況。

1.2.2 計算原理

控制方程為非定常連續性方程和RANS方程，湍流模型上選擇RNG κ-ε模型，流體體積函數法（VOF）用于捕捉自由液面，壓力與速度的耦合采用PISO方式。入口條件設置為速度入口，出口條件設置為壓強出口，使用Fluent中的UDF功能，且通過編寫UDF程序實現船冰的相對運動，編寫UDF程序后期加載到Fluent中去。

1.2.3 檢測點設置

本文的研究主要為后期水介質中船-冰碰撞進行解耦，求得船-冰碰撞前的高壓力，為更準確的將壓力施加到后期船冰有限元模型中，在此將船首劃分為幾個區域，檢測每個區域內代表性點的壓力值。冰體在設置監測點時，采用投影的方式，將船首表面的監測點P1，P2，P3，P12，P13投影到冰體上。其船首、冰體監測點設置如圖3所示。

1.2.4 計算工況設置

船冰碰撞過程中，相對碰撞速度V會對碰撞效果產生巨大影響，在此針對不同的速度V進行數值模擬，從而為后期基于水介質的船-冰碰撞進行解耦。根據傅汝德數Fr相似以及實船實際航行速度，在此將相對速度設置為0.9 ～2 m/s，具體計算工況如表2所示。

1.2.5 不同時刻下水汽兩相云圖

圖4給出了在特征速度V=1.6 m/s時，不同時刻下的水汽兩相云圖，船體在趨近冰體的過程中，帶動周圍流場一起運動，運動過程中船體碰撞面自由液面升高，背離碰撞面的自由液面形成一個漏斗的形狀下陷，稱之為“吸氣”現象。隨著船體不斷的趨近冰體，冰體碰撞面受到來流作用的影響越來越大，冰體碰撞面前的駐點流體速度為0，此時由于正壓力的增大，使得自由液面逐漸升高。

表 2 相對運動速度表Tab. 2 Relative to the speed table

1.2.6 各測點壓力峰值變化曲線

1.2.6.1 同一速度下不同測點壓力峰值變化曲線

以速度V為變量，將速度從0.9～2 m/s進行計算，從而對船體、冰體表面各監測點的壓力峰值進行分析，根據前文設計的船體迎面撞擊冰體，此時的碰撞角度為0°，所以船體左右兩舷的壓力相等，在此分別對船體監測點 P1，P2，P3，P4，P6，P8，P10，P12，P14，冰體監測點P1，P2，P3，P4進行分析。

圖5分別給出了當速度V=1.6 m/s時船體、冰體表面各監測點壓力峰值變化曲線，從圖5（a）可以看出，壓力峰值在船、冰接觸點P2處急劇增大，在點P3～P14處壓力峰值變化相對平緩；從圖5（b）可看出，壓力峰值在船、冰接觸點P2處急劇增大，其余對應測點壓力峰值變化相對穩定，從而說明在船-冰碰撞過程中，接觸碰撞區在發生碰撞之前會預先形成一個高壓力。

1.2.6.2 不同速度下各測點壓力峰值變化曲線

圖6給出了不同速度下船、冰表面各測點壓力峰值變化曲線，圖6（a），圖6（b），圖6（c）中的船體表面各測點入水深度大小相等，到冰體的距離不相等，從中可看出隨著遠離碰撞區域其壓力峰值逐漸減小。而隨著相對速度的增大，其壓力峰值逐漸增大，尤其是監測點P2壓力峰值變化量最大。圖6（d）為冰體上各測點壓力峰值變化曲線，從圖可以看出船-冰正撞點P2的壓力峰值遠大于其余測點，伴隨著來流速度的增大，各測點壓力峰值呈現增大趨勢。

1.3 壓力載荷預報

在基于大量的數值仿真數據之上，將計算得到的數值仿真結果進行數據統計分析，應用Matlab軟件擬合出數值仿真結果曲線，然后進行經驗公式的回歸，得到一般性規律，為后期船冰碰撞提供必要的載荷輸入。

表3和表4分別以船體、冰體上的監測點P1為例，給出了船體、冰體在不同相對運動速度（0.9～2.0 m/s）時的壓力峰值。將相對運動速度設置為X軸，壓力峰值設置為Y軸，畫出曲線。應用Matlab對曲線進行擬合，從而得到圖7所示的圖形，圖中深色曲線代表了計算壓力峰值隨速度變化，淺色曲線代表了擬合壓力峰值隨速度變化曲線。

表 3 船體表面P1處在不同相對速度時壓力峰值Tab. 3 The monitor P1 of the pressure peak on the ship surface at different velocity

表 4 冰體表面P1處在不同相對速度時壓力峰值Tab. 4 The monitor P1 of the pressure peak on the ice surface at different velocity

根據計算獲得壓力峰值與相對速度擬合曲線，從而得到船體上測點P1的擬合公式：P1：y=0.51x2+0.33x+1.99，擬合度達98.82%；冰體上測點P1的擬合公式：P1：y=0.55x2+0.15x+2.46，擬合度達96.86%。

依次對船體、冰體其余測點壓力峰值曲線進行擬合，可得到擬合公式，如表5和表6所示。

2 結 語

本文利用CFD對船冰碰撞之前所形成的預壓力進行了數值模擬，通過對不同的船冰相對速度進行模擬計算，獲得了船冰在趨近過程中所形成的壓力峰值，對不同速度下的壓力峰值進行分析可獲得如下結論：

表 5 船體其余監測點擬合公式Tab. 5 The fitting formula of the rest of the hull monitoring points

1）在相同計算速度下，船體、冰體表面各監測點的壓力峰值大小不等，其中正撞點P2處壓力峰值最大，隨著遠離碰撞點壓力峰值逐漸減小。

2）隨著相對速度的增大，船體、冰體表面的壓力峰值分別呈現遞增趨勢，其中正撞點P2處壓力峰值遞增幅度最大，遠離碰撞點的遞增幅度逐漸減小。

表 6 冰體其余監測點擬合公式Tab. 6 The fitting formula of the rest of the ice monitoring points

3）通過對不同監測點的壓力峰值進行載荷預報，后期可對水介質中船冰碰撞進行解耦，將水對船冰碰撞之前所形成的預壓力施加在有限元模型中，為研究水介質中船冰碰撞開辟了一種全新的方法。

[1]ORAN R, YOUNG, NIELS E. The arctic human development report [R]. Iceland: Arctic Council, 2004.

[2]TVEITNES T, VARYANI K S, FAIRLIE-CLARKE A C.Department of naval architecture and ocean engineering,university of glasgow. CFD analysis and experience work on water impact forces on transverse sections of planing craft[J].MARNET-CFD First Workshop-Barcelona 1999.

[3]劉應中, 張懷新, 李誼樂, 等. 21世紀的船舶性能計算和RANS方程[J]. 船舶力學, 2001, 5(5): 66-84.

[4]STERN F, YANG J, WANG Z, et al. Computational ship hydrodynamics: Nowadays and way forward[J]. International Shipbuilding Progress, 2013, 60 (1-4): 3-105.

[5]LARSSON L, STERN F, BERTRAM V. Benchmarking of computational fluid dynamics for ship flows: the Gothenburg 2000 workshop[J]. Journal of Ship Research, 2003, 47(1):63-81.

[6]CARRICA P M, WILSON R V, STERN F. An unsteady singlephase level set method for viscous free surface flows[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2007,53(2): 229-256.

[7]倪崇本. 基于CFD的船舶阻力性能綜合研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2011.

[8]GAO Q. The effect of free surface on classical ship hydrodynamics using RANSE-resistance, manoeuvring,propulsion, seakeeping and stability[D]. Universities of Strathclyde and Glasgow, 2012.

Considering the action of the water medium in decoupling method and load forecast of the ship ice collision

HAN Wen-dong, ZHANG Jian, LIU Hai-dong, WANG Pu-chao
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The influence of water medium on the change of water pressure during the ship collision ice is the key to consider the collision of ship-to-ice in water medium. This paper carried out the numerical simulation of the dynamic grid technology research, based on RANS equations and improved VOF two-phase flow fluid volume function, and the real-time prediction of ship and ice surface pressure changes in the close process. Get the P(V) function on the ship and ice surface.Furthermore, the effect of the water medium on the load of the ship ice collision is simplified to realize the decoupling purpose by means of the preloading load of the hull and ice body.

decoupling method；RANS；pressure；ship collision ice

U661.4

A

1672-7649(2017)11-0017-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.004

2017-07-17

國家自然科學基金項目(51579121)；江蘇省產學研前瞻性項目(BY2016073-04)；江蘇省高校自然基金重大項目(15KJA580002)；江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目(KYCX17_1854)

韓文棟(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋結構物設計制造。