基于CFD 的风电双体运维船片体间距优化研究

杨铃玉，陈 悦

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)

0 引言

海上风电是一项庞大的系统工程，其运营维护是不可缺少的重要组成部分，因而用于海上风电场维护的船舶有着广阔的发展前景［1］。考虑海上风电场主要集中在沿海，甚至有向近海发展的趋势，因此运维船应具有优良的航海性能，尤其是对快速性往往有较高的要求。

目前，在船舶快速性研究中，阻力预报主要有船模试验和数值模拟等2种方法。船模试验虽能较好地得到阻力预报结果，但要消耗一定的人力和物力，且时间上往往不允许。CFD技术应用越来越普遍，其不仅能够大大节省时间，在人力和物力的投入上也有着很明显的优势，但其仿真结果如用通常的方法则因船型不同存有一定的差异。为此，本文首先选取片体形状特殊的双体船船型作为研究对象，并利用船模试验结果来寻求CFD的仿真方法，然后通过改变双体船片体间距进行系列仿真，得到阻力性能优良的双体运维船型，从而为海上风电运维双体船船型设计提供一些参考。

1 双体运维船船型与船模

1.1 船型

根据风电场运维船的使用要求和特点，海上风电比较发达的欧美国家，一般使用小型双体船接送人员出入以及进行日常的风机维护工作。

双体船由于具有较大的型宽和片体间距，因此具有良好的横摇缓和性能。双体船中具有代表性的船型有常规双体船、小水线面双体船以及穿浪双体船，其中小水线面双体船和穿浪船型无疑是耐波性能良好的代表者。但由于小水线面双体船较薄的流线型支柱和较深的吃水给小型船舶主机的布置带了一定的困难，因此并不完全适用于小型双体船。穿浪双体船虽综合了小水线面双体船和深V船型的优点，但其复杂的船体结构和尖瘦的片体形状大大增加了建造难度和成本。为此，本文在常规双体船型的基础上吸取了小水线面船型的优点，片体采用首尾设计水线相对瘦削、中部便于舱室布置的船型方案。

1.1.1 主要参数

本船的主要参数如下:

船长LOA21.0 m

型宽B 7.8 m

设计吃水T 1.1 m

片体宽度BS2.1 m

垂线间长Lpp 19.0 m

型深D 2.1 m

方形系数Cb0.43

片体间距b 5.7 m

设计航速 20 kn

1.1.2 型线特征

本船为小水线面双体船，综合考虑静水阻力、耐波性及舱室布置等因素，船中部水线附近不宜过分窄，所以设计出从船中部向首尾两端逐渐过渡到小水线面的船型，水线附近水线面加剧减小，最终首尾两端呈现出类似球首球尾的形状。这样的设计主要是能减小船舶阻力并且能增加纵摇阻尼。同时，使尾部伴流较为均匀，可以减小螺旋桨激振力，从而提高推进效率。其横剖线如图1所示。

图1 横剖线图

1.1.3 片体位置

该船型片体位置如图2所示。

图2 片体位置示意图

1.2 船模

本试验所用模型是根据设计图纸，按照1:10的缩尺比制作而成，如图3所示。利用此模型，在江苏科技大学拖曳水池中进行静水阻力试验。

图3 海上风电双体运维船模型图

2 CFD仿真方法验证

2.1 仿真方法

2.1.1 CFD仿真软件简介

FINE/Marine是NUMECA公司为船舶与海洋工程打造的专业CFD软件包，包含全六面体非结构网格生成器 HEXPRESS、功能强大的后处理工具CFVIEW以及由法国国家科学院开发的不可压粘性流场求解器ISIS-CFD。FINE/Marine对于船舶工程问题的模拟，无需进行二次开发就可以通过界面方便设置。

2.1.2 计算网格生成

对上述所建模型以parasolid格式的几何文件导入到FINE-Marine中进行数值仿真计算，分析其阻力性能。根据双体船的对称性，取其中一个片体进行计算，这样在保证计算结果的前提下节省了网格数量。将船体几何文件导入至网格生成器HEXPRESS中生成远场边界，并在船舶设计吃水处添加自由液面。

(1)生成初始网格，将计算域外部边界围成的区域均匀划分初始网格。

(2)网格适应:按曲率、间隙、目标网格单元尺寸等准则在需加密的地方自动细化网格，并删除所有与计算域边界相交和位于计算域外的网格单元。

(3)吸附和优化:将适应后的网格投影到模型外形上，并自动吸附到所有的角点和棱边，生成贴体网格，并优化网格质量。

(4)插入边界层网格:将紧邻物面的一层网格进行拆分细化成若干层网格，快速生成边界层网格。

最终生成的全六面体非结构网格如图4所示。

图4 计算网格

2.1.3 计算参数设置

将生成好的网格文件保存并导入至FINE/Marine中进行计算参数设置。计算参数主要包括计算状态参数、边界条件参数、体定义、体运动参数、计算初始化参数、数值方法参数和计算控制参数。其中在边界条件参数设置时，分为船体表面的物面边界条件和计算域外边界，船体表面甲板面设置为滑移壁面，其余表面均设置为固壁。计算域外边界的顶部和底部设置为压力面，其他设为远场边界。

2.2 结果对比分析

通过改变速度设置，可以得到在不同傅汝德数时的阻力值，表1将模型试验与数值仿真结果进行了对比。实验值与仿真值的对比分析图见图5。

表1 模型试验与数值仿真阻力值比对表

图5 实验值与仿真值的对比分析图

由以上比较分析可知，试验阻力值与数值仿真的阻力值结果较为接近，因此，用数值仿真方法进行该船阻力计算是可靠的。

3 片体间距对阻力的影响

间距宽度比(b/BS)是影响阻力的主要参数之一。在上述模型的基础上，改变双体船的片体间距，按照上述步骤划分网格，设置计算参数，得到船模在设计航速3.25 m/s时(对应的傅汝德数为0.73)的阻力数值。不同片体间距下船模阻力值见图6。

由图6可以看出，船模在间距宽度比为2.9时阻力值最小。当片体间距宽度比超过2.9后，阻力反而变大。

图6 不同片体间距下船模阻力值

4 结论

通过分析可得出:

(1)数值仿真软件所得船模阻力与试验所得阻力值相比，最大误差为5.75%，表明用该数值仿真方法进行该船阻力计算是合理的。

(2)由改变片体间距所得阻力值的对比可得，该长宽比的双体船在傅汝德数为0.73时，基本趋势是阻力随片体间距增加而减小，减小到一定程度后，阻力反而逐渐加大。最佳间距宽度比应为2.9。

［1］ 刘林，葛旭波，等.我国海上风电发展现状及分析［J］.能源技术经济，2012，3(3):66-72.

［2］ 陈晓娜.小水线面双体船船型优化研究［D］.上海:上海交通大学，2007.

［3］ Dunna S，Bhanuprakash T V K，Das H N.Frictional Resistance Calculations on a Ship using CFD［J］.International Journal of Computer Applications，2010，11(5):24-31.

［4］ 赵连恩.高性能船舶水动力原理与设计［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2008.

［5］ 盛振邦，刘应中.船舶原理［M］.上海:上海交通大学出版社，2004.

［6］ 周翀剑，柳存根，等.高速双体船阻力估算方法研究［J］.中国造船，2014，55(4):26-32.

［7］ 李炜，王青，等.高速排水型双体船阻力估算的一种方法［J］.船舶工程，2007，29(4):17-20.