在国家“双碳”目标的愿景下,绿色环保的风电产业发展迅猛,同时海上风电场规模不断扩大。国内外海上风电项目逐渐呈现出远海化和深水化的特征。在满足风电场基本运维要求的基础上对船型进行优化与创新,以此来获得更好的航行性能。
M型槽道滑行艇作为近年来出现的新船型,具备速度快、适航性好的特点,在逆风、逆浪中的高速航行能力较为突出,是一款性能优异的船型[1]。为了满足运维需求,国内外装备一定数量的双体风电运维船,借鉴M型艇槽道的设计,在现有双体风电运维船的基础上,将连接桥槽道化,并对双体船槽道进行设计。
运用CFD数值仿真方法对槽道艇进行水动力的分析与计算。宴亮[2]基于STAR-CCM+探究了槽道宽度、槽道高度对M型艇水动力性能的影响,研究表明,增加这三方面的参数尺度有利于提高艇的性能。邹劲等[3]提出倒V型槽道滑行艇的设计,并对槽道滑行艇的结构进行设计和CFD水动力分析,表明在高速阶段其阻力比常规槽道滑行艇增加得缓慢。邢晓鹏等[4]研究了不同重心纵向位置、槽道高度以及底部倾斜角度对双体静水阻力的影响,分析了各个影响因素对船体静水阻力性能的作用机理。赵核毓等[5]对深V型槽道滑行艇,运用CFD软件进行静水航行数值模拟,分析了多种船型方案的阻力,研究了船体的滑行状态、不同纵心位置的阻力情况。在保证双体母型船主要要素和片体型线不变的基础上,结合双体槽道的主要特征,将连接桥部位改造成纵向变化的槽道,确定槽道参数,进一步来研究双体槽道船的阻力性能。
1 双体槽道船型及槽道参数 1.1 基本船型选取航行性能优良的双体风电运维船实船作为基本船型,双体船的主要参数如表1所示,双体船片体位置示意图如图1所示。
1)纵向槽道顶线
槽道顶线沿首至尾分为进流区、混合区和泄流区。3个区域的比例为
2)槽道宽度
双体槽道船的横向形状为平直线型[7],即槽顶角度为0°,不仅能使气流具有更好的贯通性和流畅性,且能减小摩擦面积,进一步减小船舶阻力,故槽道顶线选择平直段连接。平直段与片体之间则以光滑圆弧的形式进行过渡,沿首至尾保持弧线半径不变,且弧线与平直段相切,并交于片体一固定点。该点距中线1.22 m,与平直段保持相对高度0.1 m。
双体船片体具有首尾瘦削且中间宽阔的特点,在设计时,并未保持首尾两端平直段宽度相等。结合槽道与弧线的特征,基本船型的首部平直段宽度为3 m,船尾平直段宽度为1.74 m。本文双体槽道船型宽为6.60 m,槽道整体宽度为4.40 m,符合槽道相对宽度b/BPS 0.35~0.69的标准。
3)槽道尾端高度
通常槽道越高,在高速航行时,其产生的阻力越小,但过高的槽道不利于滑行艇的兴波性能,而槽道过低容易发生堵塞现象,难以形成较密集的气液混合物,对滑行艇的快速性产生负向影响。基于对槽道尾部高度,即槽道顶线最低点的考虑,将槽道高度
在双体母型船的基础上,结合确定好的槽道尺寸要素,运用船舶设计NAPA软件对船体进行建模。
2 系列船型方案确定 2.1 槽道顶线方案对于槽道型船,其纵向槽道参数变化会对船体阻力产生较大的影响。进流区域、混合区域对槽道型船水动力性能影响较大。为探究适合于本船的区域长度,现将泄流区长度保持不变,调整进流区和混合区长度,即混合区域最长,进流区域次之。各区域占比为
槽道各区域的长度变化会对船体阻力产生影响,同样区域交界点高度也是影响阻力的一大因素。针对该参数进行研究设计时,发现混合区和泄流区的交界点N的高度
考虑到双体槽道船是在双体船的基础上保持片体不变改造而来的,槽道高度
在3种不同的槽道高度方案中,每个方案对应着3种槽道顶线方案,由此可得出9个船型方案,方案参数如表2所示。
根据上述所确定参数,运用NAPA软件对方案1进行改造,得出不同纵向槽道方案模型。
3 阻力数值仿真 3.1 流场域和网格划分根据流场域内的特性,流场域通常设置成矩形。流场域的底部、顶部及前端均设为速度入口,后端设置成压力出口,左右两侧的流场域边界类型为对称平面,船体表面类型选择无滑移壁面。流场域的前段,位于船首向前延伸1L(L为船长)处,流场域后端设置在船尾向后延伸5L处,流场域底部由船底基线向下延伸2L。流场域顶部距离船体基线1.5L,流场域左右两侧均与船体中纵面保持2L的距离,图5为流场域示意图。
网格划分是数值模拟中的关键环节。Marco等[8]采用重叠网格技术和变形网格技术进行了滑行艇水动力分析,认为重叠网格技术较好。采用重叠网格技术对船舶的运动状态进行求解,将重叠区域嵌套在船体模型之外,完整地包裹着船模。在创建网格时,选用表面重构、棱柱层网格生成器以及切割体网格生成器。在求解高雷诺数流动问题时发现,船体近壁面第一层网格的厚度直接影响着整体的计算精度,通常将该厚度无量纲化为
$ {y^{\rm{ + }}}{\rm{ = }}\left( {\frac{{\Delta y}}{v}} \right) \cdot \sqrt {{\tau _\omega }{\rm{/}}\rho } 。$ | (1) |
式中:
数值仿真需模拟出复杂的瞬态多物理场问题,在运用过程中会涉及到VOF波、欧拉相、初始条件、边界条件等。主要的物理模型选择如下:隐式非定常求解器、欧拉多相流、K-Epsilon模型,同时采用默认的离散格式和松弛因子进行求解,运用典型的VOF波模型追踪自由液面,给定水面高度为船模设计吃水高度。在流场域与自由液面相交的两端激活人工阻尼进行消波,阻尼波长度一般设为2L或~1.5(
本文主要研究纵摇和垂荡对阻力的影响,故对Y轴旋转和Z轴平移2个方向进行求解。在对船模展开阻力预测分析时,时间步设为0.01 s,最大物理时间为100 s,最大内部迭代次数为10次。
3.3 结果验证图6为双体船在时阻力仿真值,船模的静水阻力仿真值为51.53 N。通过Froude换算法可得出相应实船阻力的仿真值为46.26 kN,与其双体实船的试验值45.15 kN[10]较为接近,误差为2.45%,这说明运用STAR-CCM+软件适用于双体船的静水阻力研究。
基于1∶10的缩放比例,将改造的9个双体槽道船方案以及双体船,在船模航速分别为3.5 m/s(Fr=0.787)、4 m/s(Fr=0.899)、4.5 m/s(Fr=1.012)、5 m/s(Fr=1.124)、5.5 m/s(Fr=1.237)时进行了静水阻力计算,图7为不同速度下的静水阻力值。
对比图中各方案的静水阻力可发现,总体的变化规律趋于一致。双体母型船船模在速度不断提升后其船身受到的阻力急剧增加,而双体槽道运维船的阻力增长较为缓和。当V>4 m/s时,9个双体槽道风电运维船方案的阻力性能远远优于双体船,以服务航速V=4.5 m/s为例,各方案的阻力改善比均在11%以上。
1)槽道高度变化对静水阻力的影响
图8为不同槽道高度下阻力对比曲线图。整体而言,各方案阻力上升的趋势较为一致。当
由图8(a)可知,槽道高度较低的方案4更具有优势,比方案1与方案7的阻力值要小。由此可知,在同一槽道顶线参数下,随着航速的提高,槽道空间较大,气液混合物被挤压的程度较小,无法提供较大的气动升力从而影响航行姿态,致使阻力性能变差。因此,在确定该参数时,槽道高度略低于设计水线,更有利于运维船高速航行时的阻力性能。
2)槽道顶线参数变化对静水阻力的影响
图9为不同槽道顶线参数之间的阻力对比,当傅式数
①工作区域长度变化对静水阻力的影响
以图9(a)中方案1和方案2为例,在各航速下,方案1(进流区长度较长)的阻力平均比方案2(混合区长度较长)小2.852%。可知,对于双体槽道船型来说,进流区的长度偏长具有更好的阻力性能。
②混合区与泄流区交界点高度
以方案1和方案3为例,当槽道高度以及槽道工作段长度保持一致时,方案1要优于方案3。由此可知,当船舶处于中高航速阶段时,槽道内部进气量急剧增大。若交界点高度较大,则大量汇聚的气液混合物阻塞槽道,导致其阻力迅速增大。
5 结 语1)与双体母型船相比,船舶的航速越高,双体槽道风电运维船所受到的阻力优势越明显。
2)针对双体槽道船而言,对比槽道尾端高度位置可发现,船舶以较高的航速前进时,当升高槽道高度,阻力呈上升趋势;当槽道高度略低于设计水线时,具有更好的阻力性能。
3)在静水阻力仿真中,双体槽道运维船的纵向槽道参数变化对船体阻力影响明显,较长的进流区阻力更有优势。
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