0 引　言

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。

1.2 槽道参数

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 $\displaystyle\frac{\text{1}}{\text{2}}{{L}}_{{B}}{\text{∶}}\displaystyle\frac{\text{1}}{\text{3}}{{L}}_{{B}}{\text{∶}}\displaystyle\frac{\text{1}}{\text{6}}{{L}}_{{B}}$ （ $ {L}_{B} $ 为纵向槽道长度）^[6]，其长度分别为9.98 m、6.67 m、3.32 m。为使纵向槽道整体呈现拉伸的反S形，将进流区和混合区的交界点M设在距基线（BL）1.81 m处，即h_M= 1.81 m；混合区和泄流区的连接点N距基线1.49 m，即h_N= 1.49 m。

2）槽道宽度 $ b $

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/B_PS 0.35～0.69的标准。

3）槽道尾端高度 $ h $

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 ${h}$ 设为1.35 m，与设计吃水高度保持一致。图2为纵向槽道顶线示意图，图3为中横剖面槽道宽度示意图。

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 $\dfrac{\text{1}}{\text{3}}{{L}}_{{B}}{\text{∶}}\dfrac{\text{1}}{\text{2}}{{L}}_{{B}}{\text{∶}}\dfrac{\text{1}}{\text{6}}{{L}}_{{B}}$ ，其长度分别为6.67 m、9.98 m、3.32 m，以此作为一组参数。

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 $ {h_N} $ （距基线高度）对船舶阻力性能影响更为明显。故保持 $ {h_M} $ 不变，并以 $ {h_N} $ 为切入点，在方案1的基础上对其进行变化。

2.2 槽道高度方案

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 $h$ 设为1.35 m，与吃水高度保持一致。为探究槽道高度对船体阻力的影响，在保持其他参数不变的情况下，对高度进行变化，分别选定 $ h = 1.45\;{\text{m}} $ 和 $ h = 1.25\;{\text{m}} $ ，以此生成3个方案。当高度 $h$ 为1.25 m时，此时槽道最低点恰好与船尾高度相等。图4为槽道高度方案示意图。

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 ${{y}}^{\text{+}}$ 值，依据边界层理论可得到 ${{y}}^{\text{+}}$ 的表达式为^[9]：

$ {y^{\rm{ + }}}{\rm{ = }}\left( {\frac{{\Delta y}}{v}} \right) \cdot \sqrt {{\tau _\omega }{\rm{/}}\rho } 。$

(1)

式中： $ \Delta {y} $ 为第一层网格节点的厚度； $ \tau _{{ \omega }} $ 为壁面切应力； $ {v} $ 为动力粘性系数； $\rho $ 为密度。

${{y}}^{\text{+}}$ 值保持在30～300之间，且对于高速船， ${{y}}^{\text{+}}$ 值接近30为佳。在处理船体周边区域的网格时，设置了6层、总厚度为20 mm的棱柱层，生成的网格总数约为100万。

3.2 相关参数的设置

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（ $ { \lambda } $ 为波长）。

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。

4 数值仿真计算结果 4.1 数值仿真结果与分析

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 $ Fr \geqslant 1.012 $ 时，方案之间的差异性逐渐显现，且曲线之间存在交叉。

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 $ Fr\geqslant 1.012 $ 时，方案之间的差异性逐渐显现，且曲线之间存在交叉。由图9（a）可知，随着航速的变化，方案3阻力上升趋势较大，此时方案1的阻力值逐渐占据优势地位，图9（b）和图9（c）基本呈现同样的规律。

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 ${{h}}_{{N}}$ 变化对静水阻力的影响

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。