中小型航标船在我国沿海地区使用较多,但北部航道很多海域在冬季会有冰层[1],在破冰船行驶过后,海面会漂浮着大量碎冰,所以常规船型在此期间航行与航标维护存在一定的困难[2]。为此,本文立足维护功能及使用要求,通过推进操纵装置的选择,并设计与之匹配的船尾型线及对阻力影响较大的船首几何形状,采用数值仿真技术,寻求具有较好静水阻力和碎冰阻力的船型方案。
1 船型方案设计针对碎冰海域航标巡检与维护的特点,要求维护船的快速性能要好,且阻力性能也要好;要求其操纵性能良好,以提高航行过程中避让较大浮冰的能力,尤其是靠标时的主动控制能力,确保维护时人与标的安全。
航标布设船有良好的耐波性,其在船首甲板区域的夹持装置可与选择的操纵装置相配合,让船在良好的操纵性下尽可能靠近航标,再用加持装置让标与船保持一定的动态平衡,降低工作人员“跳标”时的危险和工作时的眩晕感,从而加快维修速度。但该船型在北海地区航行效果并不理想,故不改变此船的主要要素并采用全回转舵桨装置来重新设计船型。
1.1 母型船简介本文采用的母型船主尺度如表1所示。此外,母型船采用常规双桨双舵推进操纵装置,船体型线如图1所示。
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表 1 母型船主要要素 Tab.1 Main elements of mother ship |
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图 1 母型船型线图 Fig. 1 Line chart of mother ship |
维护船的驾驶好坏与其选择的推进操纵装置息息相关。由于母型船选用常规舵桨,考虑到本船需在碎冰区安全航行,且要精准靠标,初步选择了主机功率为350 kW的全回转舵桨。为更好凸显两者回转性能的差别,在数据模拟过程中使用NAPA软件的操纵模块,设定为3 kn、舵角为30°为其初始运动状态。由图2可知,全回转舵桨的定常回转性能更好。
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图 2 回转运动数值模拟图 Fig. 2 Rotational motion test diagram |
根据维护船在碎冰海域行驶需有良好的性能,本文在保持船型和主要要素、排水体积和浮心纵向位置不变的前提下,结合全回转舵桨的匹配要求和对碎冰阻力有利的首型加以考虑。
方案1 母型船与尾舵桨布置配合形成的新船型。由上文的主机功率,确定其要在距船尾1.5 m处水平安装并旋转,所以图3中尾端部的纵剖型线较为平缓。船首则与母型船一样,整船型线如图4所示。
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图 3 船尾端型线 Fig. 3 End line of stern |
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图 4 方案1型线 Fig. 4 Line diagram of scheme one |
方案2 在方案1的基础上仅对船首进行较小调整,即改为球根型。此船首很特殊——线型在设计水线以下很瘦长,使其静水、兴波阻力性能在突发情况下仍旧很好[3 – 4]。参考文献[5],球根长度取设计水线长的2%,即0.95 m,如图5所示。
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图 5 球根型首船型线 Fig. 5 Spherical bow line |
考虑到维护船在碎冰海域航行时减少船中碎冰的堆积,方案3是在方案1的基础上仅将船首改为了宽“V”型,如图6所示。
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图 6 宽V型首船型线 Fig. 6 Wide V-shaped bow line |
由于本文的研究对象是单体船,其首部为V型,中部为圆舭型,尾部为较长尾悬线型,所以验证船型选取一艘与其相似的引航交通船。
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表 2 引航交通船的主要参数 Tab.2 The main parameters of the pilot transport ship |
图7为NAPA软件用已有的引航交通船的图纸建出的模型,后将其导入STAR-CCM+软件,计算其服务航速下的静水阻力,并利用该船在拖曳水池船模试验资料来验证仿真方法的有效性。
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图 7 引航交通船模型 Fig. 7 Pilot traffic vessel model |
不可压流体动量守恒方程:
∂Ui∂t+ρ∂(UiUi)∂xi=−∂P∂xi+ρ∂∂xj[v(∂Ui∂xj+∂Ui∂xi)]+ρgi。 | (1) |
式中:
连续性方程:
∂Ui∂xi=0。 | (2) |
标准
∂(ρk)∂t+∂(ρkui)∂xj=∂∂xi[αk(μ+ρCμk2ε)]+Gk−ρε。 | (3) |
∂(ρk)∂t+∂(ρεui)∂xi=∂∂xj[αk(μ+ρCμk2ε)∂ε∂xj]+C1εεkGk−C2ερε2k−Rε。 | (4) |
式中:
本文采用长方形的流体域。为充分捕捉流场域内尾流的状态和自由液面的具体情况,同时避免因边界条件的限制造成波浪阶段回流的现象,所以在流场域后端向后延长至5L(L为船长)处。为充分模拟真实水深,流场域的底部设置在距离船底基线下2L。为保证计算效果,流场域的顶部距离船体基线位置1.5L。为了避免流体域壁面对计算结果造成影响,从而让船处于距两边各间距2L。图8为速度进出口、压力出口、对称平面的分布示意图。
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图 8 流场域示意图 Fig. 8 Flow field diagram |
船体的网格选用厚度为200 mm的棱柱层,共6层。在计算静水阻力时,因为船体近壁面第1层网格数的厚度直接影响整体的计算精度,所以式(5)中的
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图 9 流场域网格 Fig. 9 Flow field grid |
y+=(Δy/ν)⋅√τw/ρ。 | (5) |
本文预报引航交通船实船阻力的方法为Froude法,将实船模型缩小10倍后导入软件STAR-CCM,计算得到船模[8]的静水阻力
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表 3 各航速下仿真阻力值与试验值 Tab.3 Simulation resistance value and test value at different speeds |
Rts=Rfs+η3(Rtm−Rfm)ρs/ρm。 | (6) |
式中:海水密度ρs=1.025 t/m3;淡水密度ρm=1.000 t/m3;
为选出静水阻力最小的船型方案,将3种船型(见图10)利用上述数值仿真方法进行静水阻力仿真。
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图 10 方案模型 Fig. 10 Model of scheme |
通过仿真,得到静水阻力计算结果如图11所示。
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图 11 各方案的阻力仿真结果 Fig. 11 Resistance simulation results of each scheme |
可知,3个方案的阻力值和阻力值增幅都随着航速的增加而变大。图12为方案2、方案3的阻力在方案1基础上改善后的对比值。
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图 12 两方案较方案1阻力改善计算百分比 Fig. 12 The two schemes calculate the percentage of resistance improvement over scheme one |
可知方案2、方案3的阻力较方案1都有一定的减小,但在航速从10 kn增至14 kn时,方案3的减阻跨度并不大,而方案2效果很好。综上可知,方案2在静水阻力模拟过程中,阻力性能最好。
3 碎冰阻力数值仿真研究据最新冰情预报可知,维护船在碎冰地区的巡检工作有很大困难。为此,本文在LS-DYNA软件中用流固耦合方法来进行冰阻力数值模拟,探求3个方案中的最优船型。
3.1 模拟方法理论ALE算法是本文模拟方法。为解决碎冰变形问题,将用式(7)计算分析。
∂f(Xi,t)∂t=∂f(xi,t)∂t+Δvi∂f(xi,t)∂t,Δvi=ui−wi。 | (7) |
式中:
本文航标维护船在选择材料过程中使用刚性体,所以当船与冰发生碰撞时,不考虑船内部结构的应力变化。船体模型材料参数如表4所示。
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表 4 船体模型材料参数(MAT_RIGID_(020)) Tab.4 Material parameters of hull model |
水域的长度为5L;深度为5 m。空气域长为3B(型宽);高度为3 m。网格大小为1 m,在2种介质交界共面处使用共节点网格,如图13所示。
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图 13 流体域模型 Fig. 13 Fluid domain model |
由于水域、空气域边界会产生人工应力波,所以设置非反射边界条件来预防其对仿真结果产生影响。为了不计算状态方程的偏应力,同时可定义粘性,水和空气选NULL_(009)材料,其余流体模型材料参数如表5所示。
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表 5 流体模型材料参数 Tab.5 Material parameters of fluid model |
采用弹塑性海冰本构模型,其材料参数见表6[10]。参考实际情况,选定碎冰的覆盖率为50%,冰层厚度为0.15 m。
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表 6 碎冰材料参数 Tab.6 Material parameters of broken ice |
在耦合水、空气、船和冰之后,用恒定的速度在X方向计算,总时长为30 s。流体域与碎冰域的长度分别为150 m、80 m,宽度分别为60 m、55 m,如图14所示。
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图 14 船体-冰耦合模型 Fig. 14 Ship-ice coupling model |
在构建好船冰的耦合模型、确定模拟需要的材料参数后,将在50%密集度的碎冰域[11]中,用静水模拟时使用的4种航速对3种船型进行阻力仿真。
图15展现了方案1沿X方向阻力随时间的变化趋势,可看出船与冰的碰撞伴随航速提高而愈演愈烈,但其增长并不规律。阻力峰值在动能较大时很高,航行的某个时间段船首底部积压碎冰而降低了动能,使得峰值下降。方案2、方案3亦是如此。
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图 15 方案1碎冰阻力曲线 Fig. 15 Broken ice resistance curve of scheme one |
为更好地观察比较3个方案的阻力大小,在表7中列出总时间段内的平均碎冰阻力值。
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表 7 平均碎冰阻力值 Tab.7 Average value of crushed ice resistance |
为更直观地看出3个方案的区别,将碎冰阻力值用图16表示。
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图 16 阻力均值折线图 Fig. 16 Average resistance line chart |
可知,航速在1.95 m/s之后,方案1和方案3的阻力值较大,且方案1的阻力值增加梯度较大。方案2在整个碎冰区的航行过程中阻力均值稳定在25000~35 000 N,相较其他2方案其增幅较为平缓。方案3在前期航速阶段阻力增值较大,说明其与碎冰产生接触并碰撞的时间最早。综上表明,方案2的船型具有较好的碎冰阻力性能。
4 结 语针对碎冰海域航标安全、高效维护的需要,依据母型船船型所设立的3个不同船型方案及其数值仿真结果,得到以下结论:
1)采用全回转推进操纵装置及与之匹配的尾型,在模拟中具有较小的回转直径(是常规舵桨的一半),体现了优良的操纵性性能,适合碎冰海域航标安全操纵和精准靠标操控的需要。
2)采用球根型船型的方案2具有较好的静水阻力和碎冰阻力性能,可作为碎冰海域航标维护船船型使用。
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