2017, Vol. 39
近年来，随着海上风电场的迅速发展，风电维护船的需求日益增大。双体船被广泛用于风电维护船船型[1]，因为其具有阻力性能好、甲板面积大、舒适性好、稳性好、操纵性优良等优点，但是双体船片体间存在兴波干扰，一般来讲会增加附加干扰阻力。本文受三体船不对称型片体构型方案的启发[2]来研究双体船不对称时阻力的性能，从通过改变双体船左右片体角度以及单个片体肥瘦程度来实现片体内外排水体积差的目的2个方面来研究非对称双体船的阻力性能，为今后双体风电运维船的发展提供一个新的研究方向。
1 运维船主尺度及不对称方案 1.1 运维船主尺度本研究工作主要针对某风电运维船展开进行，其模型如图1所示，其主要要素见表1。
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表 1 某风电运维船主要要素 Tab.1 Parameters of the maintenance ship |
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图 1 双体船模型图 Fig. 1 Catamaran model |
根据海上风电场维护船航行的环境和使用特点，本方案以某双体风电维护船为基本船型，通过改变2个片体之间的角度，并且保持船中处的型宽不变，从而生成左右片体呈一定角度的不对称方案，如表2所示，并在此基础上研究各方案在波浪中的阻力性能。
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表 2 某风电运维船片体旋转角度 Tab.2 The rotation angle of the maintenance ship |
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图 2 片体旋转示意图 Fig. 2 Schematic diagram of chip rotation |
本方案以某双体风电维护船为基本船型，在保证船体总排水量、浮心位置以及水线宽度不变的条件下，运用NAPA软件分别对船体的型线进行修改以此来达到单个片体内外排水比之差的目的（片体内外排水量之差相对船体总排水量的比值），如图3所示，利用Gambit进行模型处理，并在此基础上进一步研究4种方案在波浪中的阻力性能。
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表 3 内外片体排水量之差 Tab.3 The difference between internal and external displacement |
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图 3 片体内外不对称示意图 Fig. 3 schematic diagram of internal and external asymmetry |
本文选取荷兰代尔夫特大学Delft372双体船船模进规则波中的计算验证，模型如图4所示，船模主尺度如表4所示。
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表 4 Delft船模主尺度 Tab.4 Main scale of Delft372 |
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图 4 Delft372双体船船模 Fig. 4 Catamaran ship model of Delft372 |
相关理论的研究和实践经验表明，计算域的大小应根据船模的尺度从而控制在一个合理的范围内[4]，一方面，计算域的大小在船长和吃水方向仍以船长L的倍数为量度；另一方面，根据双体船船宽船长比一般单体船大的特点，计算域大小在船宽方向初步选取船宽的倍数为量度。一般计算区域的长度应为8～10倍船长L，宽度则应保证在2.5～3.0倍船长L[5]。为了节省计算的时间成本，根据船型和流场的对称性，本文初步采用半模计算，模型缩尺比为1:10，
2.2 网格划分本文是用全六面体非结构网格生成器HEXPRESS来生成网格，其单元基本按笛卡尔坐标方向排列，在物面附近网格被细化并投影到物面上，形成贴体网格，准确描述物体外形。在计算域中的绝大部分区域，网格单元都接近于长方体，网格质量非常高，能达到很高的计算精度，并能很好地模拟粘性边界层。本文计算双体船在规则波中的阻力，考虑流场的流动特性，因此各方案网格的划分方法相同。
本文运用Fine-Marine软件对各方案的模型进行网格划分，以片体呈内八2°为例，计算域和网格如图5和图6所示。
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图 5 计算域设定 Fig. 5 Setting of computational domain |
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图 6 船体表面网格 Fig. 6 Hull surface mesh of program |
根据试验资料[3]，船模在一系列傅氏数下的实验数据和在CFD下的仿真结果如表5和图7所示。
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表 5 各傅氏数下仿真值和实验值的大小 Tab.5 The simulation and experimental values with different Froude number |
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图 7 仿真值与实验值的比较 Fig. 7 Comparison of simulation and experimental results |
比较图7中的2种方案，并且随着傅氏数的变化仿真值与试验值具有相同的变化趋势。从阻力角度来看，仿真值与试验值相比差别很小，阻力值的最大误差均在7%以内。因此本文可以沿用该方法进行双体船的阻力仿真计算研究。
3 左右片体呈角度对阻力性能的研究根据前面所选定的方案，本文选取当Fr=0.546和Fr=0.729时分别对表2中各工况进行阻力仿真计算，得出的结果如表6所示。
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表 6 不同傅氏数情况下各方案阻力的大小 Tab.6 The resistance of each scheme in different Froude number |
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图 8 角度在不同傅氏数下对阻力的研究 Fig. 8 Research on the angle of resistance in different Froude number |
如图8所示，当Fr=0.546的时候，表6中方案1中片体向外旋转（呈外八状）各个角度，根据图8所示，船体的阻力呈现增大趋势，并且随着角度的增大，船体兴波阻力增加的幅度也越大。而方案2中片体向内旋转（呈内八状）各个角度后，根据图表所示，船体在旋转2°和4°的时候的兴波阻力小于对称型片体的兴波阻力尤以旋转角度为2°的时候，船体阻力有明显的减小，当片体旋转角度继续增加，船体的兴波阻力开始大于对称型船体即0°时的兴波阻力，并且由图8总体趋势看出，片体呈“内八状”时的兴波阻力比呈“外八状”时的阻力小，这是由于向内旋转的时候片体间互相的兴波干扰变小的缘故，当Fr=0.729时，由图8所知，船体的兴波阻力始终呈增大趋势，并且随着角度的增加，增大的趋势也变大，这是因为由于航速的增加，片体间的兴波干扰进一步变大，兴波阻力也随之增加。
以上分析表明，片体的不对称构型以及船体的航速对阻力的影响规律极其复杂，随着航速的不同，影响的趋势也不同，较为倾向性的结论是当Fr=0.546的时候，片体旋转2°，船体兴波阻力最小并且在高航速阶段时，船体的阻力呈增长趋势。
4 单个片体内外不对称对阻力性能的研究选取Fr=0.546，Fr=0.729分别对表3里各工况进行阻力仿真计算。得出的结果如表7所示。
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表 7 不同傅氏数情况下各方案阻力的大小 Tab.7 The resistance of each scheme in different Froude number |
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图 9 片体不同构型在不同傅氏数对阻力的研究 Fig. 9 Different configurations in different froude number on the research of the resistance |
当Fr=0.546时，表7中方案1中即内瘦外肥的片体由图9所知，在9%处的阻力大于原对称型船体阻力，当排水比为3%，5%，7%的时候，船体的阻力小于原对称型阻力，并当排水比之差为5%（见图10）时，阻力有明显的减小，而方案2中曲线所示，船体阻力较原对称型片体呈明显的上升势头，这是由于内肥外瘦的片体在水中相互干扰的作用变大，导致船体兴波阻力增大的缘故。而当Fr=0.729时，根据图9所示，船体阻力的变化规律与Fr=0.546时几乎一样。
以上结果表明内瘦外肥型片体的阻力小于内肥外瘦型片体，并且在片体内瘦外肥型片体的排水比之差为5%的时候，船体阻力明显小于原对称型船体。
5 角度及片体肥瘦综合因素对阻力的影响由上述2个方案可知，当双体船在片体向内旋转2°呈内八时以及单侧片体左右排水比之差（内瘦外肥）为5%的时候，为上述2个方案的最佳方案，阻力有明显减小，本章节结合上述2个方案综合考虑，选取Fr=0.546，Fr=0.729分别对单侧片体的排水比之差为5%（内瘦外肥）并且向内旋转2°呈内八形状时的情况下进行阻力仿真计算，得出的结果如图10所示，当Fr=0.546时阻力为12.96 N，小于上述两方案的最优解，而当Fr=0.729时阻力为17.97 N，参考表6和表7所知，阻力大小介于上述两方案最优解之间。
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图 10 仿真结果图 Fig. 10 Simulation results chart |
以上分析表明，由于船体特殊的构型，在不同航速下对阻力的影响规律极其复杂，随着航速的不同，影响的趋势也不同，这是由于在不同航速下，片体间相互的兴波干扰也会随着航速发生不规律的变化。由于运维船在工作情况下，航速会随时发生变化，所以即使本方案在Fr=0.546时，阻力为各方案的最优解，但是由于航速的提高，阻力并非是该航速情况下的最优解。较之片体为内瘦外肥时的情况，并非是最佳方案。
6 结 语本文基于CFD技术，采用FINE/Marine软件探究了非对称双体船不同片体构型情况下阻力研究，得出以下结论：
1）在片体角度对阻力的影响方案中，在Fr=0.546时，片体角度为向内旋转2°时的阻力性能最优，但在各个航速下，该方案并非是最优解。
2）单侧片体内外不对称对阻力的影响的方案中，方案1中（片体为内瘦外肥）当片体内外排水比之差为5%的时候，船体的阻力较之对称型船体有明显的减小，可视为不对称双体船片体构型的最佳方案。
3）综合上述2个方案考虑研究的情况下，虽然在Fr=0.546及Fr=0.729时，船体的阻力均小于对称型船体时的阻力，且当Fr=0.546时为各个方案的最优解，不过随着航速增加，在Fr=0.729时阻力大于内瘦外肥型片体，并非是最优，结合运维船的工作情况及实际建造情况，本方案并非为最佳方案。
本文提出的非对称双体船阻力优化对解决工程实际问题有一定的借鉴作用；对双体船片体构型的研究为风电维护船的船型优化提供了一定的参考价值。同时，本文仅对非对称双体船的阻力进行了初步研究，对于片体在波浪中的耐波性以及水动力响应方面还有待进一步研究。
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