大型集裝箱船風洞試驗研究

孫志遠，昝立儒，孫寒冰，侯永康

(哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

隨著全球集裝箱航運市場行情趨穩(wěn)，全球集裝箱航運市場行情將繼續(xù)改善，對于集裝箱船的需求也逐漸釋放[1]，同時對于集裝箱船的需求也呈現(xiàn)出大型化的趨勢。與常規(guī)運輸船相比，超大型集裝箱船由于其較大的受風面積風阻研究變得更為必要[2]。

劉強[3]利用OpenFOAM對不同集裝箱布置形式進行了數(shù)值計算，研究了通過經(jīng)驗公式計算難以得到的上層建筑形式風載荷的差別，分析空氣繞流場的流動狀態(tài)與船舶所受風載荷的關系。蔡文山[4]采用數(shù)值方法對不同的集裝箱進行了研究，并對風洞試驗的結(jié)果進行驗證，結(jié)果吻合較好的基礎上優(yōu)化布置形式以減小風阻。羅少澤[5]在驗證敞開式風場風阻試驗的基礎上對集裝箱船的布置研究，通過數(shù)值計算有效地優(yōu)化集裝箱的風阻。Anderson[6]研究了1艘巴拿馬型集裝箱船在多種集裝箱布置下的風阻和力矩，分析了風阻的影響因素并提供了優(yōu)化方案。魏可可[7]利用數(shù)值手段研究了水面艦艇水面以上船體的風載，同時也根據(jù)經(jīng)驗公式對其風載荷進行估算，與試驗值相比，數(shù)值方法和經(jīng)驗公式都存在一定的誤差。劉亞沖[8]對16 000箱集裝箱船船體水線以上結(jié)構(gòu)表面風場風壓進行數(shù)值模擬，得到風載荷系數(shù)，并與規(guī)范方法和Isherwood方法進行比較，為船舶初期的穩(wěn)性設計提供數(shù)據(jù)參考。

綜上所述，對于集裝箱船的研究集中于數(shù)值方法以及經(jīng)驗公式，但對于數(shù)值方法的精確性有待進一步驗證。風洞試驗通過模擬實際環(huán)境中的風為試驗模型提供外部風環(huán)境，人為控制風環(huán)境以對結(jié)構(gòu)物風效應進行再現(xiàn)。風洞試驗是目前計算風阻最為有效精確的手段，同時也能夠為其他計算方法提供可靠的數(shù)據(jù)，作為估算風載荷的依據(jù)[9,10]。然而風洞試驗因其較為昂貴的費用和較長周期，在計算船舶風阻方面的試驗較

少。本文通過集裝箱空載吃水和設計吃水2種工況的風洞試驗得到數(shù)據(jù)，計算得到風阻系數(shù)，并分析不同工況下風阻系數(shù)和力矩特點，并為后期風阻優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 試驗模型

1.1 船型簡介

集裝箱船模型由船體和集裝箱組成，集裝箱船模型縮比為1:200，并采用3D打印的方式進行模型的加工制作。將水線與甲板之間船體和上層建筑、集裝箱分開制作，其中船底、船側(cè)平邊、尾封板和甲板采用3 mm玻璃鋼板材料加工，而上層建筑和集裝箱用3D打印材料（聚乳酸）加工。模型主要參數(shù)見表1。

表1 集裝箱船模型參數(shù)Tab.1 Parameters of the container ship

圖 1試驗模型及坐標系Fig. 1 Test model and coordinatesystem

1.2 風洞試驗

本次試驗于中國航空工業(yè)空氣動力研究院（哈爾濱）FL-8風洞進行。該風洞為低速單回路閉口風洞，試驗段截面為切角矩形，其主要參數(shù)見表2。

風洞試驗測力采用單支桿腹部支撐系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由迎角機構(gòu)、側(cè)滑角機構(gòu)和支桿機構(gòu)組成。采用該系統(tǒng)支撐的模型可實現(xiàn)兩自由度方向的旋轉(zhuǎn)功能，即模型的迎角和側(cè)滑角。試驗時，模型連接到天平

表2 風洞模型參數(shù)Tab.2 Parameters of thetunnel

上，天平連接到支撐系統(tǒng)上。本次試驗用地板模擬水面，為防止試驗過程中模型震顫碰到地板，地板與集裝箱船船底之間的距離為20 mm。試驗時，針對模型的各個狀態(tài)，階梯式改變模型的側(cè)滑角對模型氣動力及力矩進行測量。0°～180°每15°改變一次角度，共13個角度。試驗風速為25 m/s。

圖2 集裝箱設計吃水風阻試驗Fig.2 Draft design resistance tunnel test of container ship

2 試驗結(jié)果

對模型氣動力及力矩進行測量。定義力系數(shù)：式中：船舶所受風阻包括沿船長方向的縱向力（阻力）FX；船寬方向上的橫向力（側(cè)向力）FY；偏航力矩CN；ρ為空氣密度；u為風洞來流速度，β為迎風角。

由圖3可以看出，隨風向角的階梯式改變，空載吃水和設計吃水2種工況的縱向風阻系數(shù)都呈現(xiàn)出接近正弦曲線變化的趨勢，同時存在2個方向相反的阻力峰。在風向角接近β=45°和β=135°時二者的風阻系數(shù)值都達到機極值；當β=0°時，由于船舶受到正橫風的作用，在縱向上并不存在風阻分量，所以沿船長方向的縱向風阻系數(shù)為0。

對于空載吃水和設計吃水的橫向風阻系數(shù)，在風向角β=0°和β=180°，船舶正迎風狀態(tài)和正順風狀態(tài)時，船舶受到的風力橫向分量為0。隨著風向角由正迎風轉(zhuǎn)到正橫風后再過渡到正順風時，風力的橫向分量也隨之先增大后減小，表現(xiàn)在橫向風阻系數(shù)曲線即呈現(xiàn)出接近余弦曲線變化規(guī)律的趨勢。在船舶處于遭遇橫風狀態(tài)時，設計吃水的橫向風阻阻力系數(shù)較大，空載時由于上層建筑在縱剖面的投影較小，對風的阻滯作用降低，導致在正橫風時曲線有一個下降的凹點，其余風向角二者阻力系數(shù)相差不大。同時由于設計吃水甲板上布置較多集裝箱，所以在改變風向角時迎風面投影面積的變化較空載吃水狀態(tài)緩和，表現(xiàn)在風阻系數(shù)曲線上即設計吃水的縱向和橫向風阻系數(shù)曲線較為平滑。

圖3 不同風向角下縱向風阻系數(shù)曲線Fig.3 Longitudinal wind resistance coefficient curves under different wind direction

圖4 不同風向角下橫向風阻系數(shù)曲線Fig.4 Transverse wind resistance coefficient curves under different wind direction

圖5 不同風向角下力矩曲線Fig. 5 Moment curves under different wind direction

空載吃水和設計吃水2種工況的力矩曲線有著明顯的差別，空載時上層建筑在縱剖面的投影較小，所以前者力矩曲線數(shù)值要遠遠低于后者，同時由于集裝箱船重心處于中后位置，上層建筑結(jié)構(gòu)并不關于中橫剖面對稱，偏航力矩也并不完全遵循正弦曲線變化的規(guī)律，當遭遇風向角在50°附近時首搖力矩最大。

3 結(jié)語

本文通過風洞試驗對集裝箱船的設計吃水狀態(tài)和空載吃水狀態(tài)進行風場模擬，并對風阻系數(shù)進行分析。在試驗風向角區(qū)間內(nèi)，縱向風阻系數(shù)曲線形狀近似于正弦曲線，存在方向相反的阻力極值，空載吃水時的曲線較為平緩且縱向風阻系數(shù)較小；橫向風阻系數(shù)曲線類似拋物線，遭遇正橫風時設計吃水的風阻系數(shù)最大，空載吃水狀態(tài)由于上層建筑投影面積降低有局部極小值；集裝箱的布置對于船舶的力矩曲線影響較大，需要對其布置進行深入研究。