海上三體風電維護船船型方案及阻力性能研究

楊鈴玉，杭 岑

(1.上海杉達學院 滬東工學院，上海 201209；2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

海上三體風電維護船船型方案及阻力性能研究

楊鈴玉1，杭 岑2

(1.上海杉達學院 滬東工學院，上海 201209；2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

在分析維護船使用及性能要求的基礎上，確立了三體船型方案。在單體船基礎上根據側體體積比的不同確定幾組不同的三體船方案，對各個方案進行阻力數值仿真分析，同時還對三體船主側體的干擾阻力進行探討，最終得出三體維護船合適的體積比構成，從而為海上風電場維護船船型設計奠定一定的基礎。

海上風電維護船；船型方案；三體船側體體積比例；阻力性能

0 引言

在可再生能源中，風力發電是除了水能源之外技術最為成熟并且具有很大開發價值的發電方式。海上風力發電近年來得到了比較多的關注，發展較快。由于海上風電場會受到風浪和潮汐的影響，因此針對海上風電場設計出性能良好的船型以提高維護人員的安全性能顯得尤其重要，同時性能優良的船型也能很好地完成維護船的任務從而提高風電場的運行效率。

現代高速三體船具有良好的性能優點。三體船由1個主體和2個側體組成，其船體的長寬比較大，船形較瘦長，有利于減小興波阻力。三體船船型的側體一般位于主體的兩側，長度遠小于主體長度，且排水量也較小[1]。跟單體船相比，三體船在高速航行時能夠大大減小興波阻力，耐波性能和橫搖性能比單體船好，且三體船由于兩邊多了2個側體，使得甲板面積變得較為寬敞，為設備的布置提供了充足的空間[2]。跟雙體船相比，高速三體船具有良好的耐波性，可避免雙體船的扭搖和急搖，并可以減小縱搖和升沉。因此，從性能角度考慮，將三體船船型作為風電維護船型能夠很好地完成維護任務從而減少維護成本。

1 船型方案

三體船的船型研究主要包括側體的主尺度的選擇、側體位置的優化與側體排水體積比例確定以及側體船型優化等。一般三體船的主體和側體均為長寬比很大的細長體，側體排水體積不超過主體排體積的10%，因此對于主側體的相對大小目前研究不是很多。本文所研究的三體船側體排水體積的比例是在單體船的基礎之上將總排水量控制不變，采用不同的主側體大小比例來衍生出三體船型，同時本文還對主側體的不同位置進行研究，探討出何種比例分配以及位置組合能夠使得三體船型的阻力性能最佳，為三體船的設計提供參考借鑒。

1.1單體船基本船型

由于目前三體船型資料公開發表的較少，因此本文在確定三體船型的主要要素時參照的是某22 m單體船，其主要參數如下：

垂線間長LPP

19.0 m

設計水線長LWL

20.0 m

型寬B

4.0 m

型深D

2.5 m

設計吃水T

1.2 m

設計排水量Δ

44 t

該單體船型船體采取的是圓舭線型，在船型設計軟件NAPA中所生成的船體模型如圖1所示。

1.2三體船主要要素

為了提高甲板面積，增加三體船的耐波性能，將三體船的長寬比適當增加，參照22 m單體船來確定三體船的主要要素。

1.2.1主體水線長LWL1和船寬B1

為了保證三體船主體的尺度和單體船相同，參照單體船的主尺度，三體船船長LWL1=20 m，船寬B1=4 m。

1.2.2主體型深D1和吃水d1

同樣參照單體船的主尺度，三體船的主體型深D1=4 m，吃水d1=1.2 m。

1.2.3側體水線長LWL2和側體船寬B2

根據文獻統計資料可知，側體水線長一般占主體水線長度的30%～45%[2]。考慮到所設計三體船的功能及使用要求，取較長的側體水線長，使得三體風電維護船有較大的甲板面積，所以暫取LWL2=0.375LWL1=7.5 m。

三體船的主體和側體寬度比例在0.2～0.4左右[3-5]，主體寬度B1=4 m，暫定B2/B1=0.34；側體寬度為B2=1.36 m，取整為B2=1.4 m。

1.2.4側體吃水d2

根據側體排水體積的不同，側體的吃水也隨之變化。

1.2.5主側體的縱向間距l和橫向間距b

側體的不同位置對于阻力及耐波性能的影響較為明顯，不同的位置可能會讓三體船的性能產生較大的影響。

本文所設計的三體風電維護船考慮到建造的便捷等因素，將縱向位置視為定值即保持側體的艉封板與主體艉封板齊平。

連接橋的長度過長將會導致船體強度的問題，過短則會造成穩性不足。因此，參照三體船的資料將連接橋的長度l定為1.35 m，橫向間距b定為4.5 m。

1.2.6排水量Δ

將三體船總排水量控制和單體船的排水量一致，Δ=44 t，側體排水量為5.3 t,側體排水體積占據總排水體積的比例為12%。

1.3三體船幾何模型的建立

根據三體船的尺度，側體排水體積占總排水體積的不同比例確定4組方案進行討論:方案1的比例為9%,方案2的比例為12%,方案3的比例為15%，方案4的比例為18%。

三體船主體和側體的橫剖線形狀均采用的是圓舭型，側體對稱布置在主體兩側，運用船舶設計軟件NAPA軟件對船體進行型線設計。本文以方案2為例，所建模型如圖2所示。

2 阻力數值仿真

將NAPA中所建的三體維護船模型導入至CFD軟件包FINE-Marine中進行阻力數值仿真計算，探究主側體的相對大小以及位置組合對于阻力性能的影響。

2.1仿真方法

將計算模型導入至CFD軟件之后首先需要劃定計算模型的計算區域。計算域的選取既需要保證對于流場信息的捕捉又需要降低網格數量，減少計算時間。本文將設計船按1∶10的縮尺比縮小為船模，并采取一半船模進行計算，以減少網格數量從而縮短計算的時間。通過對流場分析并參考相關文獻[4]，本船模的計算區域選取的尺寸為(10×2.5×2)L，水池入口距船首2L，水深1.25L。L為船長，本文所用L尺寸為水線長。

計算區域選擇好之后就需要進行網格的細化，從而進行邊界條件的設置。網格劃分在模塊HEXPRESS中完成。本文中網格的選擇均為六面體非結構網格。在該模塊中，對于模型的網格劃分首先進行初始網格的生成，再對該網格進行細化劃分。以方案2的船模為例，最終生成的計算區域以及網格劃分如圖3所示。

將生成好的網格文件保存之后可以進行邊界條件的設置。邊界條件的選取應該盡可能地模擬實際情況。本文所設置的邊界條件主要有：水池入口處采用速度入口；設置為船模的設計航速的速度場；出口處采用壓力出口；船體、池壁和頂部以及底部均采用壁面條件；船模的對稱面采用對稱邊界條件。邊界條件的設置如圖4所示。

將22 m單體船的數值仿真計算結果與理論值進行比較。在縮尺比為10，實船速度為20 kn時，運用CFD計算仿真分析得到的單體船船模阻力F=21.585 N。通過圓舭艇阻力圖譜[5]換算成實船阻力FS=37.27 kN。同時運用圓舭艇阻力圖譜對該單體船進行阻力理論計算[5]，得到的阻力理論值F=39.49 kN，與CFD數值仿真計算換算成的實船阻力37.27 kN相差不大，認為該數值仿真分析方法中的計算域的選擇、網格劃分及邊界條件的設置適合于該類船型，可以將該方法運用在以單體船的排水量的不同分配下的三體船上進行數值仿真分析來預報船舶阻力。

2.2三體船阻力仿真

2.2.1不同排水體積之比方案的阻力仿真計算

在排水量一定的單體船基礎之上，將總排水量按照側體不同比例的大小進行分配衍生出來的四種不同主側體大小的三體船方案：方案1為側體排水體積占總排水體積的9%，方案2的體積比為12%，方案3的體積比為15%，方案4的體積比為18%。運用上述方法進行阻力數值仿真計算，在縮尺比為10，實船設計航速20 kn時的船模阻力見表1。

表1 不同體積比方案下船模阻力

通過計算比較發現，在側體排水體積占總排水體積的9%～12%時，三體船阻力數值較小；在側體排水體積占總排水體積為15%時阻力數值最大。

2.2.2不同橫向間距下方案的阻力仿真計算

通過對側體排水體積占總排水體積的不同比例下的三體船方案的阻力性能研究可知，在比例為9%～12%時，三體船的阻力性能較優。考慮到體積比大些可以使三體船的主甲板面積較大，本文對位置研究時所采取的體積比為12%。

三體船由于側體的引入，使得阻力較為復雜，合理的主側體的組合位置能夠產生有利的阻力干擾，使得阻力性能優良。在保持縱向位置不變，即主側體保持艉封板齊平的位置下根據不同橫向位置確定了4組不同方案，各方案下的參數說明情況見表2。

對不同方案下的三體船船模進行阻力數值仿真分析計算結果見表3。

通過計算比較發現，當主側體的艉封板保持齊平，橫向間距為101.25%B時，三體船阻力數值最小，能夠產生有利干擾。

表2 不同橫向位置下各方案的參數說明

注：此處位置研究中的第一個位置方案下的體積比和前文中的方案2中的要素一樣，因此統一稱為方案2。

表3不同橫向間距下的船模阻力

3 干擾阻力探討

三體船由于側體的引入，使得主體和側體之間存在著干擾阻力。上文對于主側體的不同大小以及橫向位置的不同進行探討，得出一個合適的體積比以及橫向間距使得三體船的阻力相對較小。對于側體的相對大小是否會對干擾阻力產生影響，本文也作出了相應的研究。將上文中的3組不同比例方案下的三體船主側體分別進行阻力性能研究，運用CFD軟件FINE-Marine對3組不同方案的三體船模進行阻力性能分析，在縮尺比為10，實船設計航速20 kn時探討不同的側體大小對于干擾阻力的影響。3組方案下船模的主側體積分項阻力見表4。

表4 3組方案下船模的主側體分項阻力

通過計算分析可知，在側體排水體積占總排水體積的12%，即在單體船基礎之上將12%的排水體積分配給側體形成的三體船并且主側體的艉封板保持齊平，橫向間距為101.25%B=4.05 m時主側體之間能夠形成有利干擾。

4 結論

本文經過比較分析確定采用三體船型作為海上風電場維護船船型，經初步分析研究得出以下結論：

(1)三體船型是目前較新的船型，具有寬大的甲板、優良的阻力及耐波性能，能夠完成海上風電場維護船的維護工作，因此選用三體船型作為維護船型能夠很好地完成海上風機的運行與維護任務。

(2)將22 m的單體船運用CFD進行阻力仿真分析，所得結果與理論值相比，結果較為接近，表明運用CFD數值仿真分析計算時所劃分的流域大小、網格劃分以及邊界條件的設置合理，能夠用來預報三體船型的阻力性能。

(3)由于三體船目前實船資料較少，對于三體船的設計造成很大不便，因此本文在單體船基礎上，通過合適的側體體積比例以及不同的橫向間距產生幾組不同的三體船型方案，并根據所確定的主要要素進行型線建模，通過阻力數值仿真分析得出9%～12%比例下，且橫向間距為101.25%B時的三體船型方案阻力數值較優。

(4)在單體船基礎上，通過側體體積的不同比例分配所得出的3組三體船方案，將主體和側體分別進行阻力數值仿真分析，比較后發現，在側體排水體積占總排水體積的比例為12%時，三體船主側體之間能夠產生有利干擾。

[1] 王中,盧曉平,詹金林.高速三體船的水動力學和船型研究新進展[J].船舶力學,2011,15(7)：813-826.

[2] 鄭律，叢剛，王耀輝.三體船側體位置優化設計研究[J].船舶,2012,23(4)：23-27，37.

[3] DENG R，HUANG D B，LI J，et al. Discussion of Grid Generation for Catamaran Resistance Calculation[J]. Journal of Marine Science and Application, 2010,9:187-191.

[4] 謝云平，姚偉，糜成杰，等. 數值波浪水池與排水型高速船波浪增阻計算方法研究[J]. 船舶工程，2013，35(2)：6-8，91.

[5] 中國船舶工業總公司. 船舶設計實用手冊[M]. 北京：國防工業出版社，1998.

U662.2

A

2016年“上海高校青年教師培養資助計劃”

2017-06-28

楊鈴玉(1990—)，女，碩士，助教，主要從事船舶設計方面的研究。