海上三体风电维护船船型方案及阻力性能研究

杨铃玉，杭 岑

(1.上海杉达学院 沪东工学院，上海 201209；2.上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

海上三体风电维护船船型方案及阻力性能研究

杨铃玉1，杭 岑2

(1.上海杉达学院 沪东工学院，上海 201209；2.上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

在分析维护船使用及性能要求的基础上，确立了三体船型方案。在单体船基础上根据侧体体积比的不同确定几组不同的三体船方案，对各个方案进行阻力数值仿真分析，同时还对三体船主侧体的干扰阻力进行探讨，最终得出三体维护船合适的体积比构成，从而为海上风电场维护船船型设计奠定一定的基础。

海上风电维护船；船型方案；三体船侧体体积比例；阻力性能

0 引言

在可再生能源中，风力发电是除了水能源之外技术最为成熟并且具有很大开发价值的发电方式。海上风力发电近年来得到了比较多的关注，发展较快。由于海上风电场会受到风浪和潮汐的影响，因此针对海上风电场设计出性能良好的船型以提高维护人员的安全性能显得尤其重要，同时性能优良的船型也能很好地完成维护船的任务从而提高风电场的运行效率。

现代高速三体船具有良好的性能优点。三体船由1个主体和2个侧体组成，其船体的长宽比较大，船形较瘦长，有利于减小兴波阻力。三体船船型的侧体一般位于主体的两侧，长度远小于主体长度，且排水量也较小[1]。跟单体船相比，三体船在高速航行时能够大大减小兴波阻力，耐波性能和横摇性能比单体船好，且三体船由于两边多了2个侧体，使得甲板面积变得较为宽敞，为设备的布置提供了充足的空间[2]。跟双体船相比，高速三体船具有良好的耐波性，可避免双体船的扭摇和急摇，并可以减小纵摇和升沉。因此，从性能角度考虑，将三体船船型作为风电维护船型能够很好地完成维护任务从而减少维护成本。

1 船型方案

三体船的船型研究主要包括侧体的主尺度的选择、侧体位置的优化与侧体排水体积比例确定以及侧体船型优化等。一般三体船的主体和侧体均为长宽比很大的细长体，侧体排水体积不超过主体排体积的10%，因此对于主侧体的相对大小目前研究不是很多。本文所研究的三体船侧体排水体积的比例是在单体船的基础之上将总排水量控制不变，采用不同的主侧体大小比例来衍生出三体船型，同时本文还对主侧体的不同位置进行研究，探讨出何种比例分配以及位置组合能够使得三体船型的阻力性能最佳，为三体船的设计提供参考借鉴。

1.1单体船基本船型

由于目前三体船型资料公开发表的较少，因此本文在确定三体船型的主要要素时参照的是某22 m单体船，其主要参数如下：

垂线间长LPP

19.0 m

设计水线长LWL

20.0 m

型宽B

4.0 m

型深D

2.5 m

设计吃水T

1.2 m

设计排水量Δ

44 t

该单体船型船体采取的是圆舭线型，在船型设计软件NAPA中所生成的船体模型如图1所示。

1.2三体船主要要素

为了提高甲板面积，增加三体船的耐波性能，将三体船的长宽比适当增加，参照22 m单体船来确定三体船的主要要素。

1.2.1主体水线长LWL1和船宽B1

为了保证三体船主体的尺度和单体船相同，参照单体船的主尺度，三体船船长LWL1=20 m，船宽B1=4 m。

1.2.2主体型深D1和吃水d1

同样参照单体船的主尺度，三体船的主体型深D1=4 m，吃水d1=1.2 m。

1.2.3侧体水线长LWL2和侧体船宽B2

根据文献统计资料可知，侧体水线长一般占主体水线长度的30%～45%[2]。考虑到所设计三体船的功能及使用要求，取较长的侧体水线长，使得三体风电维护船有较大的甲板面积，所以暂取LWL2=0.375LWL1=7.5 m。

三体船的主体和侧体宽度比例在0.2～0.4左右[3-5]，主体宽度B1=4 m，暂定B2/B1=0.34；侧体宽度为B2=1.36 m，取整为B2=1.4 m。

1.2.4侧体吃水d2

根据侧体排水体积的不同，侧体的吃水也随之变化。

1.2.5主侧体的纵向间距l和横向间距b

侧体的不同位置对于阻力及耐波性能的影响较为明显，不同的位置可能会让三体船的性能产生较大的影响。

本文所设计的三体风电维护船考虑到建造的便捷等因素，将纵向位置视为定值即保持侧体的艉封板与主体艉封板齐平。

连接桥的长度过长将会导致船体强度的问题，过短则会造成稳性不足。因此，参照三体船的资料将连接桥的长度l定为1.35 m，横向间距b定为4.5 m。

1.2.6排水量Δ

将三体船总排水量控制和单体船的排水量一致，Δ=44 t，侧体排水量为5.3 t,侧体排水体积占据总排水体积的比例为12%。

1.3三体船几何模型的建立

根据三体船的尺度，侧体排水体积占总排水体积的不同比例确定4组方案进行讨论:方案1的比例为9%,方案2的比例为12%,方案3的比例为15%，方案4的比例为18%。

三体船主体和侧体的横剖线形状均采用的是圆舭型，侧体对称布置在主体两侧，运用船舶设计软件NAPA软件对船体进行型线设计。本文以方案2为例，所建模型如图2所示。

2 阻力数值仿真

将NAPA中所建的三体维护船模型导入至CFD软件包FINE-Marine中进行阻力数值仿真计算，探究主侧体的相对大小以及位置组合对于阻力性能的影响。

2.1仿真方法

将计算模型导入至CFD软件之后首先需要划定计算模型的计算区域。计算域的选取既需要保证对于流场信息的捕捉又需要降低网格数量，减少计算时间。本文将设计船按1∶10的缩尺比缩小为船模，并采取一半船模进行计算，以减少网格数量从而缩短计算的时间。通过对流场分析并参考相关文献[4]，本船模的计算区域选取的尺寸为(10×2.5×2)L，水池入口距船首2L，水深1.25L。L为船长，本文所用L尺寸为水线长。

计算区域选择好之后就需要进行网格的细化，从而进行边界条件的设置。网格划分在模块HEXPRESS中完成。本文中网格的选择均为六面体非结构网格。在该模块中，对于模型的网格划分首先进行初始网格的生成，再对该网格进行细化划分。以方案2的船模为例，最终生成的计算区域以及网格划分如图3所示。

将生成好的网格文件保存之后可以进行边界条件的设置。边界条件的选取应该尽可能地模拟实际情况。本文所设置的边界条件主要有：水池入口处采用速度入口；设置为船模的设计航速的速度场；出口处采用压力出口；船体、池壁和顶部以及底部均采用壁面条件；船模的对称面采用对称边界条件。边界条件的设置如图4所示。

将22 m单体船的数值仿真计算结果与理论值进行比较。在缩尺比为10，实船速度为20 kn时，运用CFD计算仿真分析得到的单体船船模阻力F=21.585 N。通过圆舭艇阻力图谱[5]换算成实船阻力FS=37.27 kN。同时运用圆舭艇阻力图谱对该单体船进行阻力理论计算[5]，得到的阻力理论值F=39.49 kN，与CFD数值仿真计算换算成的实船阻力37.27 kN相差不大，认为该数值仿真分析方法中的计算域的选择、网格划分及边界条件的设置适合于该类船型，可以将该方法运用在以单体船的排水量的不同分配下的三体船上进行数值仿真分析来预报船舶阻力。

2.2三体船阻力仿真

2.2.1不同排水体积之比方案的阻力仿真计算

在排水量一定的单体船基础之上，将总排水量按照侧体不同比例的大小进行分配衍生出来的四种不同主侧体大小的三体船方案：方案1为侧体排水体积占总排水体积的9%，方案2的体积比为12%，方案3的体积比为15%，方案4的体积比为18%。运用上述方法进行阻力数值仿真计算，在缩尺比为10，实船设计航速20 kn时的船模阻力见表1。

表1 不同体积比方案下船模阻力

通过计算比较发现，在侧体排水体积占总排水体积的9%～12%时，三体船阻力数值较小；在侧体排水体积占总排水体积为15%时阻力数值最大。

2.2.2不同横向间距下方案的阻力仿真计算

通过对侧体排水体积占总排水体积的不同比例下的三体船方案的阻力性能研究可知，在比例为9%～12%时，三体船的阻力性能较优。考虑到体积比大些可以使三体船的主甲板面积较大，本文对位置研究时所采取的体积比为12%。

三体船由于侧体的引入，使得阻力较为复杂，合理的主侧体的组合位置能够产生有利的阻力干扰，使得阻力性能优良。在保持纵向位置不变，即主侧体保持艉封板齐平的位置下根据不同横向位置确定了4组不同方案，各方案下的参数说明情况见表2。

对不同方案下的三体船船模进行阻力数值仿真分析计算结果见表3。

通过计算比较发现，当主侧体的艉封板保持齐平，横向间距为101.25%B时，三体船阻力数值最小，能够产生有利干扰。

表2 不同横向位置下各方案的参数说明

注：此处位置研究中的第一个位置方案下的体积比和前文中的方案2中的要素一样，因此统一称为方案2。

表3不同横向间距下的船模阻力

3 干扰阻力探讨

三体船由于侧体的引入，使得主体和侧体之间存在着干扰阻力。上文对于主侧体的不同大小以及横向位置的不同进行探讨，得出一个合适的体积比以及横向间距使得三体船的阻力相对较小。对于侧体的相对大小是否会对干扰阻力产生影响，本文也作出了相应的研究。将上文中的3组不同比例方案下的三体船主侧体分别进行阻力性能研究，运用CFD软件FINE-Marine对3组不同方案的三体船模进行阻力性能分析，在缩尺比为10，实船设计航速20 kn时探讨不同的侧体大小对于干扰阻力的影响。3组方案下船模的主侧体积分项阻力见表4。

表4 3组方案下船模的主侧体分项阻力

通过计算分析可知，在侧体排水体积占总排水体积的12%，即在单体船基础之上将12%的排水体积分配给侧体形成的三体船并且主侧体的艉封板保持齐平，横向间距为101.25%B=4.05 m时主侧体之间能够形成有利干扰。

4 结论

本文经过比较分析确定采用三体船型作为海上风电场维护船船型，经初步分析研究得出以下结论：

(1)三体船型是目前较新的船型，具有宽大的甲板、优良的阻力及耐波性能，能够完成海上风电场维护船的维护工作，因此选用三体船型作为维护船型能够很好地完成海上风机的运行与维护任务。

(2)将22 m的单体船运用CFD进行阻力仿真分析，所得结果与理论值相比，结果较为接近，表明运用CFD数值仿真分析计算时所划分的流域大小、网格划分以及边界条件的设置合理，能够用来预报三体船型的阻力性能。

(3)由于三体船目前实船资料较少，对于三体船的设计造成很大不便，因此本文在单体船基础上，通过合适的侧体体积比例以及不同的横向间距产生几组不同的三体船型方案，并根据所确定的主要要素进行型线建模，通过阻力数值仿真分析得出9%～12%比例下，且横向间距为101.25%B时的三体船型方案阻力数值较优。

(4)在单体船基础上，通过侧体体积的不同比例分配所得出的3组三体船方案，将主体和侧体分别进行阻力数值仿真分析，比较后发现，在侧体排水体积占总排水体积的比例为12%时，三体船主侧体之间能够产生有利干扰。

[1] 王中,卢晓平,詹金林.高速三体船的水动力学和船型研究新进展[J].船舶力学,2011,15(7)：813-826.

[2] 郑律，丛刚，王耀辉.三体船侧体位置优化设计研究[J].船舶,2012,23(4)：23-27，37.

[3] DENG R，HUANG D B，LI J，et al. Discussion of Grid Generation for Catamaran Resistance Calculation[J]. Journal of Marine Science and Application, 2010,9:187-191.

[4] 谢云平，姚伟，糜成杰，等. 数值波浪水池与排水型高速船波浪增阻计算方法研究[J]. 船舶工程，2013，35(2)：6-8，91.

[5] 中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册[M]. 北京：国防工业出版社，1998.

U662.2

A

2016年“上海高校青年教师培养资助计划”

2017-06-28

杨铃玉(1990—)，女，硕士，助教，主要从事船舶设计方面的研究。