船舶风载荷研究进展及发展趋势＊

陈前昆 尹奇志 孙 星 范爱龙 严新平 牟小辉

（武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所 船舶动力工程技术交通行业重点实验室 武汉 430063）

0 引 言

船舶在航行中根据流体介质的不同，其所受阻力可以分为水阻力和风阻力.对于散货船、油船，以及集装箱船等主流商船船型，水阻力是船舶阻力的主要成分，因此在相当的一段时期里，船舶优化减阻相关的研究多集中于船舶水阻力［1－2］.然而，随着对节能减排工作的不断深入，风阻力也成为当前研究的热点.受到风阻影响的船舶或者离岸结构，例如，集装箱船、半潜式平台等，除了受到波浪，海流联合作用下的水流阻力外，由于受风面积大，水线面以上部分还会受到较大风阻力.在一些特殊的情况，如船舶港口作业，驳船顶推作业、船舶港口系泊和动力定位工况下，风载荷对于船舶的影响就尤显重要［3－7］.因此，不管是从船舶航行安全角度，还是从能效提升的角度来看，船舶风载荷的研究都具有十分重要的意义.

目前对于风载荷的研究主要从船舶安全和能效提升两方面展开.在船舶安全方面，由于风载荷对船舶推进性能、船舶操纵性能都有较大的影响，因此国内外很多学者在计算风载荷的大小、评估风与结构物相互作用以及由此产生的影响等方面进行了深入研究［8－12］.在船舶能效提升方面，为更多的挖掘船舶优化减阻的空间，更好提升船舶能效水平以满足国际法规的需求［13］，当前的研究工作主要集中在上层建筑的优化减阻和优化布置减阻［14－17］.

围绕船舶安全和能效提升，船舶风载荷的研究方法有现场实测、风洞实验和数值分析.结合3种研究方法，从船舶风载荷计算、船舶优化减阻2大方面的国内外研究情况进行详细论述，并基于风载荷现有研究进展及发展趋势，对其在船舶行业的应用前景进行了展望，为船舶风载荷的深入研究提供参考.

1 船舶风载荷研究方法

1.1 实船测量

实船测量［18］是指使用由各类先进仪器组成的测试系统在现场对实际风环境及船舶结构的风响应进行测量，以获得风载荷的方法.实船测量可获得详细全面、可信度较高的风特性和结构响应的第一手资料，是船舶风阻研究的3种方法中最直接和真实的研究手段.

实船测量的研究主要包含2部分内容，分别是：测量仪器的研制与更新和测量实施方法的完善.

在测量仪器的研制方面，顾蕴松等［19］开发了一套适于外场测量的7孔探针测试系统，该系统包括7孔探针耙、多通道微压变送器以及必备的软件等，其中7孔探针耙可用于将气流速度和方向信息转化为压力信号，多通道微压变送器用于将气压信号转换成模拟电压信号，而必备的软件则是用于进行数据采集及数据处理.试验表明，7孔探针测试系统测试设备在恶劣的试验环境下工作稳定可靠.在测量实施方法方面，余力等［20］经过对实船测量方法的深入研究，提出了一种直接利用舰船实测风压差表，借助别尔舍茨方法，来求得舰船在纵向上的风力系数及舰船风力矩系数的新方法.该方法解决了目前无论是风洞试验结果还是回归公式的计算结果，均不能反映舰船在风中航行时，由于漂角导致的斜向水流而引起的增阻以及由于风载荷导致的船体横倾而引起的水阻力的问题.

然而，实船测量也受到一些条件的限制：（1）实船测试的开展和安排比较复杂，耗时耗资大，实验成本高；（2）海面上没有稳定的流场，相对船舶的风向和风速主要取决于当时的海洋环境、船速及航向，无法按照预想得到稳定的测量环境；（3）实船测量一般是在船舶建成并投入使用后开展的，因此该方法只能为以后同种类型的船舶设计提供指导.由于上述限制条件的存在，实船测量在民用船上的研究很少，多用于舰船空气流场的研究.

1.2 风洞试验研究

风洞试验是一种将加工制造出的缩尺船舶模型置于能模拟风环境的特定实验室内，通过先进的测量设备和技术，测得船舶模型的受力情况及测量点的流场信息的研究方法.风洞试验是当前获得船舶风载荷较为准确和可靠的方法，在船舶的风场和风阻力的研究中起着重要作用.

目前计算风阻的经验公式大都由风洞试验获得实验数据，运用数学方法推导归纳得到.在国内，汤忠谷［21］对13条海船模型在风洞中进行了风压试验，测定了海船上层建筑风压系数及风压中心位置，并归纳出风压横倾力矩的回归公式.洪碧光［22］选择了50条船模风压系数的风洞试验数据作为回归样本，采用5个易于得到的基本船型系数，得出一种由船型数据来估算风压系数的方法.然而，总的来说，国内对于风载荷计算方法的研究深度不够，在实际工程应用中，通常是在对比分析几种国内外具有较高认可度的经验公式的基础上进行选取.

在国外，Isherwood［23］通过对大量各类商船的风洞试验数据进行多元回归分析，提出了用于计算船舶风压力系数和风压力矩系数的回归公式.Blendermann［24－26］基 于 由 风 洞 试 验 得 到 的 一组较全面的船舶风载荷数据，推导出了船舶纵向风力、横向风力、艏摇力矩和横倾力矩的计算公式，并提出一种利用风洞数据计算不均匀风速下风载荷的方法.与此同时，OCIMF［27］利用在密歇根大学进行的风洞试验的试验数据，提供了一套计算超大型油船的计算方法，并给出了不同类型的球鼻首在不同工况下的风载荷系数.然而，以上3种经验公式在对某一特定船型的风载荷进行计算时，计算结果往往并不具有较好的一致性，这主要是因为经验公式是由风洞试验获得的数据推导而来，风洞数据的有限性和局限性势必会对计算结果的准确度造成影响.M.R.Haddara［28］针对这一问题，提出了一套基于神经网络技术的计算船舶风载荷的通用计算公式，并选择一条油船对该计算公式进行了验证，发现该方法比以往的经验公式有更好的精度.此后，Toshifumi Fujiwara［29］将成分分离型理论应用于风载荷计算，成分分离型风载荷推导法是把作用在船体的风压力分为主流阻力、交叉流体阻力、升力、诱导阻力，在此基础上，作者通过逐步多元回归分析，提出一套计算船舶风载荷的计算公式，该经验公式考虑了风剖面的修正，计算精度得到了提高.

风洞试验同样也存在着不少缺陷.具体表现在：（1）试验必须采用几何缩尺模型，无法全面反映模型细节对风载荷的响应；（2）风洞试验的费用高，试验过程周期长；（3）在进行船舶结构设计时，船舶结构需要多个方案进行对比，但不可能均进行风洞试验，因此在船舶线型优化上，风洞试验具有局限性.

1.3 数值模拟研究

随着计算机技术的不断发展，基于风洞试验原理并结合计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）理论的数值模拟研究越来越受到学者们的关注［30］.相对于风洞试验，数值模拟研究具有以下优点［31］：（1）研究周期短，成本低，不同工况的参数修改方便；（2）能够从微观视角查看任意流场的流动情况，能克服风洞试验测点布置的局限性和实验数据的不完备性；（3）借助计算机图形学技术可将模拟结果直观、形象地显示出来；（4）在涉及多方案对比研究时，可以帮助设计者在众多优化方案中找到最优方案.鉴于数值模拟的诸多优点，CFD在土木工程、工业制造、海洋结构工程等领域应用广泛.

在利用数值模拟进行风载荷计算方面，国内外学者也进行了广泛研究.Ignazio［32］采用 CFD方法对帆船进行风场数值研究，采用不同湍流模型，不同网格尺度对帆船进行多种建模，计算其阻力和升力大小，并与既有的风洞试验数据作对比和分析.张金鹏［33］利用ANSYS软件对集装箱船在非满载状态下的风阻进行了研究，通过将数值模拟计算与理论分析计算的结果进行比较，验证了数值模拟在计算集装箱风载荷方面的可行性.蔡文山等［34］以大型油船为研究对象，采用CFD方法对其在6级风况下的迎风阻力进行了数值模拟，并将计算结果和范·伯利柯姆方法进行了比较，结果表明数值计算的结果和经验公式值吻合较好.张利军等［35］应用CFD方法，对多种具有不同生活区结构的散货船模型的风载荷进行了数值模拟计算，通过比较各模型所受风阻的大小，从中得到具有降阻效果的散货船生活区结构，为散货船的设计与建造提供指导.

从上述研究情况可见，CFD方法在帆船、集装箱船、油船和散货船上均有应用，且在计算风载荷方面与风洞试验具有良好的吻合度，但是也存在一些不足，尤其是在计算精度和缩短计算时间等方面，是今后要努力完善的一个重要方向.

2 船舶风阻力减阻方法研究

船舶风载荷研究工作的目的不仅仅只是为了模拟船舶风场，计算风阻力系数，也是希望能够借助风洞或数值计算工具，通过优化船舶结构等措施，降低船舶风阻力，从而减少能耗，提高能效水平.综合当前国内外在降低风阻方面的研究现状，可按其研究内容的不同分为上层建筑的优化减阻和优化布置减阻两大方面.

2.1 上层建筑的优化减阻

在船舶上层建筑优化节能的实船运用方面，日本一直走在世界前列.为了降低风阻，日本旭洋船厂在2000年为船东设计和建造了一艘环保节能型纯汽车运输船［36］.该船设计采用 “半球流线型船首”，应用在水线上方的船首区域，内设有驾驶室，最上层甲板的两侧各设有一个球形肩部.风洞试验证明，新型船首与传统船舶相比能够在纵向上最多可减少约50%的风阻.同时，日本石川岛播磨重工集团（IHI）下属的石川岛播磨联合海事公司（IHIMU）开发了一型节能环保型集装箱船“eFuture 13000C”［37］，该船将桥楼前移，在居住舱室表面配备首部罩以大幅降低风阻，见图1.此外，日本邮船公司和津西造船公司为船舶上层建筑设定了包括倾斜转角构造形式在内的多种结构形状，并在一艘18万t散货船上进行试验.通过试验得出，船舶驾驶室左右翼桥及其支柱的正面受风面积共占整个上层建筑的30%，其结构形状直接影响船舶所受风阻的大小，为此两家公司对上层建筑结构形状做了进一步研究，并推出MT－Cowl降低风阻技术，该技术通过对船舶上层建筑的驾驶室左右翼桥及其支撑柱的正面装上一个添加结构，使其形成一个具有倾斜形状的转角，从而减少船舶风阻.由新型结构模型的风洞试验结果可知，这项技术在原来的基础上可减小10%风阻力.

图1 日本新型半球流线型汽车运输船及环保型集装箱船

在优化上层建筑的理论研究方面，国内的上海船舶运输科学研究所对此有深入研究，研究成果对未来船舶设计具有重要指导意义.该所蔡文山等［38］在对某5万t油船进行风阻数值计算的基础上，探索上层建筑正迎风面构型的降阻优化设计，针对目标船型原上层建筑正迎风面为平直面的特点，作者从满足规范要求，满足工程实际应用的角度出发，设计了3套不同的优化方案，在分别进行了相应的数值计算及风洞试验后发现，优化方案都有一定的降阻效果.赵强等［39］利用数值计算工具对一集装箱船水线以上部分进行CFD数值模拟，并从安装在大型货车上的导流罩获得启发，在集装箱的艏部加装3种不同形式的导流罩，分析研究不同形式导流罩的减阻效果.通过比较发现，流线型的导流罩在减阻上有较好的效果.

同时，太阳能作为一种新型能源是绿色船舶发展的一个重要方向［40］，而太阳能电池板的布置属于上层建筑的范畴，太阳能板的存在会增加船舶的受风面积，进而或多或少的增大船舶风阻.在实际应用中，通常根据经验将太阳能电池板布置区域选在船顶前部，优选流线型布置方式，见图2.

2.2 优化布置减阻

船舶装载的优化布置不需要经过船舶改造等资金的投入，就可直接降低风阻实现船舶的营运节能，是船舶降阻优化的一个经济有效的措施.

在众多船型中，集装箱船水线以上受风面积的大小随集装箱装载形式的不同会发生显著变化，因此通过优化集装箱的布局可有效减少集装箱船风阻.刘强等［41］利用计算流体力学软件对4种不同集装箱布置形式下的集装箱船风载荷进行了数值模拟计算.4种布置形式为：非满载下集装箱沿船长均匀布置及两端集中布置；满载下有间隙布置及无间隙布置.数值模拟结果表明，非满载情况下将集装箱集中在首尾两端布置、满载情况下尽量减小集装箱间的间隙都有利于减小船舶所受风阻力.然而，国内在集装箱布置方面考虑的布置形式过于单一，在船舶实际运营中的指导意义有限.丹麦科技大学的Andersen［42］以一艘9 000 TEU的巴拿马型集装箱船为研究对象，利用风洞试验对17种不同的集装箱装载形式下所承受的风阻力和力矩进行了深入的对比研究.研究内容包括：集装箱不同装载高度下的对比，流线型布置与非流线型布置的对比、随机布置与规则布置下的对比及尾部金字塔形布置与非金字塔布置的对比等.研究结果表明，集装箱光滑规则且尾部金字塔形的布置都能降低纵向风阻力，流线型布置虽能降低纵向风阻，却会相应的增加船舶的偏航力矩，研究成果可为集装箱的优化布置提供重要参考.

总而言之，上层建筑及布置的优化主要着眼于如何使迎风面有良好的导风效果，使得气流在迎风面和侧风面角隅处尽量减少分离，保持流向一致性；尽量使气流在该处往后区域能减少压降，减少旋涡的生成，以达到减少风阻力的目的.

图2 太阳能电池板的流线型布置

3 结束语

综合当前国内外学者在船舶风载荷计算及降阻优化方面的研究进展，笔者认为有3个方面还需要做进一步研究和探讨.

1）从目前船舶风载荷的研究方法来看，风洞试验虽是较为准确和可靠的研究方法，然而从模型制作到试验完成的周期长、结构模型利用率低、风洞洞壁干扰、支架干扰等也是当前风洞试验面临的主要问题，风洞试验与3D打印技术、自动控制技术、非接触测试技术等先进技术的紧密结合，将大幅度提高风洞试验数据的精度和可靠性.数值模拟是最经济的方法，计算机科学水平的不断提升将会促使CFD方法的发展，数值模拟方法将更快速和准确的获得计算结果，更真实的模拟真实风场，风阻研究工作会向更便捷更深入的方向发展.

2）当前计算船舶风载荷的经验公式基本是在综合各类船型特点的基础上，通过数学方法推导得出的，计算结果过于粗糙、误差大且没有针对性.因此，对各类船舶分别开展研究，从而得出适用于不同船型的经验公式将是下一步的工作方向.

3）随着绿色船舶的发展，风阻优化的理念在未来船舶的更新中必会逐步得到体现，在确保船型结构合理性和可靠性的前提下，将计算机技术应用于船舶流线型结构设计及布置形式优化，推出更多不同种类的能有效提升能效水平的标准船型，还需研究人员持续不懈地为之努力.

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