海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船船型總阻力和縱搖升沉運(yùn)動(dòng)研究

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(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

現(xiàn)有的海上風(fēng)電場(chǎng)多采用小型的船舶作為工作人員的交通和風(fēng)機(jī)塔柱的維護(hù)，目前小型船舶的研究開(kāi)發(fā)已比較成熟。雙體船由于具有良好的阻力性能、寬敞的甲板面積和優(yōu)越的穩(wěn)定性能而越來(lái)越多的被應(yīng)用。評(píng)估雙體船的性能一般可以通過(guò)相關(guān)圖譜或理論公式來(lái)進(jìn)行，但上述方法不能有效地反應(yīng)船型變化對(duì)阻力和耐波性的影響，對(duì)于改進(jìn)的雙體船，可以通過(guò)船模試驗(yàn)或利用CFD軟件數(shù)值仿真來(lái)進(jìn)行。本文根據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況和使用要求，分析小型單體船、雙體船、多體船對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)用性，擬定適合風(fēng)電場(chǎng)較大風(fēng)浪時(shí)雙體維護(hù)船型方案。

1 船型方案確定

1.1 海上風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電維護(hù)船現(xiàn)狀

現(xiàn)有的海上風(fēng)電機(jī)組的維修主要包括定期維護(hù)(檢查、清潔等)、故障維修(某種程度的故障檢修，如手動(dòng)重啟或更換主要部件)和備件管理三部分。

海上風(fēng)電場(chǎng)不同于陸上風(fēng)電場(chǎng)，由于氣候條件、潮汐變化以及船舶等多種因素的制約，使得運(yùn)行維護(hù)人員難以到達(dá)風(fēng)機(jī)塔筒對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行消缺、檢修。據(jù)國(guó)外相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)表明，現(xiàn)有的小型船舶由于耐波性能不夠，在海上風(fēng)浪達(dá)到1 m左右的時(shí)候就不能出航對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行維護(hù)作業(yè)，因而會(huì)造成風(fēng)電場(chǎng)無(wú)法正常運(yùn)營(yíng)。

目前，國(guó)內(nèi)一些正在運(yùn)行的海上風(fēng)電場(chǎng)，如東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)，主要借助于租用的船舶進(jìn)行日常風(fēng)機(jī)維護(hù)及工作人員的交通運(yùn)輸。一般而言，租用的船噸位比較大，并且由于此類船舶自身的船型設(shè)計(jì)并不符合靠離風(fēng)機(jī)塔座的要求，再加上船舶噸位較大等因素，以至于在船舶靠離風(fēng)電機(jī)組的時(shí)候經(jīng)常會(huì)發(fā)生撞擊塔基的情況。

1.2 海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船使用及性能要求

海上風(fēng)電維護(hù)船主要用于風(fēng)電場(chǎng)工作人員從陸上到風(fēng)電場(chǎng)的水上交通運(yùn)輸以及日常的風(fēng)機(jī)維護(hù)。考慮到航行時(shí)人員的舒適性以及工作的效率，要求維護(hù)船具有一定的耐波性及快速性能，使得風(fēng)浪較大時(shí)，在保證維護(hù)人員安全的前提下可以出航作業(yè)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外正在運(yùn)營(yíng)的風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船經(jīng)驗(yàn)，一般選用常規(guī)推進(jìn)的小型船舶即可滿足上述使用要求，同時(shí)又能提高經(jīng)濟(jì)性能。

1.3 海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船型介紹

海上風(fēng)電比較發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家，一般使用小型的船舶接送人員出入，以及進(jìn)行日常的風(fēng)機(jī)維護(hù)工作，這種船舶有單體船型和雙體船型，在一定程度上提高了船舶的快速性和耐波性。

對(duì)于小型船舶，本身受波浪的影響比較大，所以在船型選擇及型線設(shè)計(jì)時(shí)，快速性能和惡劣海況下的耐波性能應(yīng)是考慮的重要問(wèn)題。

常規(guī)單體船型主要有圓舭形、尖舭形、深V形或者三種船型的組合船型。進(jìn)入在20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了小水線面單體船(SWASH)概念，船型大體上是小水線面雙體船的單側(cè)船體。法國(guó)和日本學(xué)者提出，水下浮體為主、水翼為附屬裝置的小水線面單體船方案，正常航行時(shí)船體處于半潛狀態(tài)，具有良好的阻力性能和耐波性能[2-3]。

雙體船中具有代表性的三種船型分別為常規(guī)雙體船、小水線面雙體船以及穿浪雙體船。其中具有代表性的雙體船為穿浪雙體船(WPC)。穿浪雙體船是在小水線面雙體船和高速雙體船的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型高性能排水型船舶。高速穿浪雙體船保留了小水線面雙體船的低阻，高耐波性以及常規(guī)雙體船甲板面積寬敞等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)融匯了深V船型的特點(diǎn)，也克服了常規(guī)雙體船的連接橋離水面高度小等缺點(diǎn)。因此，穿浪雙體船特有的船型構(gòu)造賦予其高速、優(yōu)良的耐波性、穩(wěn)性好、舒適、吃水淺、甲板寬敞和回旋性能好等高水平的綜合航海性能。

1.4 維護(hù)船型的確定

目前，多種多樣的船型各有利弊。單體船建造方便，但在風(fēng)浪較大的海面上，小型的單體船橫搖性能比較差，容易使人員暈船，降低了工作人員乘船的舒適性，甚至由于較差的橫搖性能而危及人員的生命安全。

雙體船具有較大的型寬和片體間距，有良好的橫搖緩和性能。高耐波性雙體船型中，小水線面雙體船和穿浪船型無(wú)疑是良好耐波性能的代表者。但由于小水線面雙體船較薄的流線型支柱和較深的吃水給小型船舶主機(jī)的布置帶了一定的困難，因此并不完全適用于小型雙體船。穿浪雙體船雖綜合了小水線面雙體船和深V船型的優(yōu)點(diǎn)，但其復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)和尖瘦的片體形狀大大增加了建造難度和成本。為了滿足風(fēng)電場(chǎng)的使用要求和艙室布置并借鑒國(guó)內(nèi)外風(fēng)電維護(hù)船型經(jīng)驗(yàn)，本文選用常規(guī)雙體船型，根據(jù)小水線面雙體船以及穿浪雙體船的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，作為風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船。

2 設(shè)計(jì)船主尺度系數(shù)確定

本設(shè)計(jì)船型給定主機(jī)功率為每臺(tái)370 kW，要求設(shè)計(jì)航速20 kn。根據(jù)文獻(xiàn)[2-6]中涉及到的雙體船尺度，對(duì)其主尺度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和歸納總結(jié)?？梢钥闯觯壳耙呀ㄔ斓膶?shí)船或是設(shè)計(jì)的船型主尺度范圍比較集中于：LPP/b=9～11；b/T=1.5～2.5；K/b=2～3；L/▽1/3=5.76～6.55。下面根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)要求及相關(guān)規(guī)范進(jìn)一步確定本雙體維護(hù)船型系數(shù)。

2.1 維護(hù)船尺度系數(shù)范圍選擇

與單體船相比，由于雙體船具有較寬敞的甲板面積，因此最小船長(zhǎng)的確定往往不取決于總布置等方面的要求，一般應(yīng)從最小總阻力的觀點(diǎn)來(lái)確定最佳船長(zhǎng)。對(duì)于中高速雙體船，剩余阻力占總阻力的比重較大，因此船長(zhǎng)的選取應(yīng)盡量從減小剩余阻力的角度考慮。船長(zhǎng)的選取應(yīng)盡量避免使剩余阻力處在Fr=0.40～0.60的峰值附近。

由雙體船的剩余阻力曲線(船模試驗(yàn)結(jié)果)，選弗勞德數(shù)Fr=0.7～0.8，此時(shí)，剩余阻力曲線較平坦，屬于中高速雙體船。

2.1.1 片體長(zhǎng)寬比L/b

對(duì)于中高速雙體船，隨著航速提高，摩擦阻力和剩余阻力逐漸趨于相等，片體干擾阻力占總阻力的5%～8%，剩余阻力曲線趨于平緩，變化有規(guī)律。這時(shí)，適當(dāng)加大片體寬度和減小吃水和船長(zhǎng)以爭(zhēng)取較小的濕表面積和降低空船重量是恰當(dāng)?shù)?，一般取L/b=8～12。本設(shè)計(jì)船在參照有關(guān)資料和母型船主尺度系數(shù)范圍的基礎(chǔ)上，取L/b=9。

2.1.2 寬度吃水比b/T

由于雙體船的b/T對(duì)阻力的影響主要表現(xiàn)在片體摩擦阻力上，與普通雙體船一樣，減小片體寬度b和增大吃水T對(duì)減小摩擦阻力是有利的。因此，從降低阻力的角度考慮b/T，參考現(xiàn)有船舶，設(shè)計(jì)船初步定為b/T=1.5～2.0。

2.1.3 片體中心距比K/b

2.1.4 長(zhǎng)度系數(shù)ψ=L/▽1/3

長(zhǎng)度系數(shù)ψ=L/▽1/3是影響阻力的最主要因素，片體長(zhǎng)度系數(shù)ψ增大，片體本身的剩余阻力減小，片體間的阻力干擾減弱特別是片體間的興波阻力附加干擾減弱。因此雙體船的長(zhǎng)度系數(shù)在滿足使用要求的條件下可以適當(dāng)取大一點(diǎn)。結(jié)合母型船統(tǒng)計(jì)資料確定ψ=L/▽1/3=5.76～6.55。

2.1.5 片體方形系數(shù)Cb

參照母型船統(tǒng)計(jì)資料，取Cb=0.40～0.45。

2.2 維護(hù)船主尺度確定及建模

根據(jù)2.1中確定的主尺度系數(shù)范圍并參考相關(guān)資料及設(shè)計(jì)手冊(cè)[7]，選擇船型系數(shù)范圍并根據(jù)設(shè)計(jì)要求通過(guò)VC++語(yǔ)言編程篩選，最終確定設(shè)計(jì)船的主尺度為L(zhǎng)PP=19 m，D=2.1 m，B=7.8 m，T=1.1 m，b=2.1 m。

根據(jù)確定的主尺度，應(yīng)用船舶設(shè)計(jì)軟件NAPA建模并調(diào)整型線，使其排水量、浮心位置、方形系數(shù)以及艙室大小等滿足設(shè)計(jì)要求。常規(guī)雙體船模型見(jiàn)圖1。

圖1 NAPA中生成的常規(guī)雙體船船體曲面和艏部型線

在大風(fēng)浪情況下，從提高雙體船的縱搖和升沉角度考慮，結(jié)合小水線面雙體船和穿浪雙體船的船型優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種改進(jìn)船型。艏部采用深V-凸型，片體7.5站(按10站考慮)以前的艏龍骨下沉到基線以下，下沉體的橫剖面類似水滴形狀，艏部主船體部分型線在設(shè)計(jì)吃水位置片體寬度最窄，艏部橫剖線類似水滴狀見(jiàn)圖2b)。這種設(shè)計(jì)使得船體設(shè)計(jì)水線更加平直，進(jìn)流角更小。舯部采用圓舭向折角過(guò)渡線型，艉部采用折角線型。為了滿足機(jī)艙布置的需求，本設(shè)計(jì)船在船中后機(jī)艙區(qū)域型線相對(duì)比較豐滿，改進(jìn)雙體船的NAPA建模見(jiàn)圖2。

圖2 NAPA中生成的改進(jìn)型雙體船船體曲面艏部型線

3 阻力仿真及計(jì)算分析

3.1 CFD仿真計(jì)算

3.1.1 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

計(jì)算域的選取應(yīng)既能保證對(duì)流場(chǎng)信息的捕捉，又可減少網(wǎng)格的數(shù)量?？紤]到實(shí)船計(jì)算所需的流場(chǎng)區(qū)域大，網(wǎng)格數(shù)量過(guò)多，目前的計(jì)算機(jī)水平難以短時(shí)間計(jì)算出所需的結(jié)果。將設(shè)計(jì)船按10∶1的比例縮小為船模，根據(jù)船舶的對(duì)稱性，取一半的船模進(jìn)行計(jì)算，這樣在保證計(jì)算結(jié)果的前提下節(jié)省了網(wǎng)格數(shù)量。通過(guò)對(duì)流場(chǎng)分析并參考文獻(xiàn)[8-9]對(duì)常規(guī)雙體船模選取計(jì)算區(qū)域?yàn)?0L×2.5L×2L，船模水池入口距船艏2L，水深1.25L。

網(wǎng)格劃分采取分塊劃分的方法，船體周圍區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，其它區(qū)域則采用6面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分時(shí)先劃分6面體網(wǎng)格，再劃分船體附近的4面體網(wǎng)格，以利于網(wǎng)格之間的過(guò)渡。為了詳細(xì)捕捉流場(chǎng)信息，對(duì)自由液面處以及船體附近網(wǎng)格進(jìn)行加密[10]，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖3 自由液面處網(wǎng)格劃分示意

3.1.2 邊界條件的選取

邊界條件的選取應(yīng)符合實(shí)際情況才能保證數(shù)值模擬計(jì)算更接近實(shí)際。計(jì)算區(qū)域邊界條件包括：水池入口處采用速度入口，出口處采用壓力出口、船體、池壁和底部采用壁面條件，由于采用一半的船模計(jì)算，所以在對(duì)稱面采用對(duì)稱邊界條件，水池頂部采用壁面邊界條件。具體設(shè)置如下。

1)水池入口處給定設(shè)計(jì)航速的速度場(chǎng)。

2)出口處邊界設(shè)為靜水壓力。

3)指定池壁和底部的剪應(yīng)力為零。

4)船體表面引入標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

3.2 阻力結(jié)果分析與比較

Fluent計(jì)算常規(guī)和改進(jìn)雙體船，數(shù)值水池穩(wěn)定后的常規(guī)雙體船實(shí)船總阻力Rt=53.6 kN，改進(jìn)雙體船實(shí)船總阻力為Rt=47.6 kN。先將阻力仿真結(jié)果與按照文獻(xiàn)[10]中的回歸公式計(jì)算得到的結(jié)果相比較，見(jiàn)表1。

表1 雙體船阻力結(jié)果比較

由以上比較可以得出如下結(jié)論。

1)Fluent計(jì)算常規(guī)雙體船結(jié)果與回歸公式計(jì)算結(jié)果接近，對(duì)于改進(jìn)雙體船，一般經(jīng)驗(yàn)公式不能滿足計(jì)算需要，可用常規(guī)雙體船仿真方法計(jì)算其阻力。

2)改進(jìn)雙體船型在設(shè)計(jì)水線處由于具有較小的進(jìn)流角，使其阻力性能較常規(guī)雙體船型優(yōu)越。

4 縱搖及升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究

應(yīng)用NAPA基于切片理論計(jì)算的耐波性計(jì)算模塊SHS-Seakeeping，對(duì)設(shè)計(jì)載況下的雙體船片體進(jìn)行縱搖及升沉運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算。得到兩個(gè)船型的片體在航速V=0 kn和V=20 kn以及浪向角θ=150°和θ=180°下的縱搖及升沉運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)。

4.1 響應(yīng)函數(shù)

計(jì)算中用到的響應(yīng)函數(shù)定義為

升沉：Hz(ω)=zα/ζa

縱搖：Hθ(ω)=θα/ζa

式中：za——升沉幅值，m；

θa——縱搖幅值，(°)；

ζa——波幅，m；

ω——波浪圓頻率，rad/s。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖4、5分別表示兩種船型在不同航速、不同浪向角下的縱搖、升沉響應(yīng)函數(shù)，圖中橫坐標(biāo)表示波浪長(zhǎng)度與船長(zhǎng)之比，縱坐標(biāo)表示縱搖、升沉響應(yīng)幅值。

4.2.1 縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果及分析

由圖4可見(jiàn)，維護(hù)船在停航作業(yè)時(shí)，兩種船型的縱搖幅值都比較小。在浪向角分別為150°和180°情況下，改進(jìn)船型的縱搖幅值比常規(guī)船型縱搖幅值小，且波長(zhǎng)與船長(zhǎng)之比在1.4左右時(shí)，縱搖響應(yīng)幅值達(dá)到最大。同一船型，當(dāng)浪向角為150°和180°時(shí)，最大響應(yīng)幅值相差不大，且隨著航速的增大，最大縱搖響應(yīng)幅值逐漸變大。

4.2.2 升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果及分析

由圖5可見(jiàn)，維護(hù)船停航作業(yè)時(shí)，常規(guī)船型和改進(jìn)船型的最高升沉幅值都趨于1，并且兩種船型升沉響應(yīng)曲線幾近重合。當(dāng)航速為V=20 kn，共振區(qū)的運(yùn)動(dòng)頻響函數(shù)明顯大于1，且改進(jìn)船型的升沉幅值小于常規(guī)船型。航行狀態(tài)時(shí)，對(duì)于同種船型，當(dāng)航速或浪向角增大時(shí)，頻率響應(yīng)幅值逐漸增大。波長(zhǎng)與船長(zhǎng)之比在1.5左右時(shí)，升沉響應(yīng)幅值達(dá)到最大。當(dāng)波長(zhǎng)大于5L時(shí)，升沉幅值逐漸趨于1。

圖4 不同浪向角下兩種船型的縱搖響應(yīng)

圖5 不同浪向角下兩種船型的升沉響應(yīng)

5 結(jié)論

1)雙體船的主尺度確定除了需要滿足規(guī)范要求之外，還可以參照已建成的或已設(shè)計(jì)出并得到認(rèn)可的雙體船主尺度來(lái)選取。

2)雙體船主尺度的選擇跟單體船類似，需滿足相應(yīng)的浮力和快速性要求。

3)Fluent仿真計(jì)算雙體船舶的靜水阻力結(jié)果比較可靠，當(dāng)理論公式不能較好地適合設(shè)計(jì)船型的阻力估算時(shí)，可采用CFD數(shù)值仿真方法。

4)改進(jìn)船型的艏部片體型線有效地減小了進(jìn)流角，增加了船舶的縱搖和升沉阻尼，提高船舶的阻力性能，改善了船舶的耐波性能。

[1] 王 冬.多航態(tài)高速雙體船阻力計(jì)算研究[D].天津:天津大學(xué)，2005.

[2] 張大有，張 艷.艉板對(duì)高速雙體船阻力性能影響的研究[J].船舶工程，2006(6):20-23.

[3] 楊 嘯，李日杰，王先洲,等.沿海高速救助艇水動(dòng)力性能試驗(yàn)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(9)：16-19.

[4] 許統(tǒng)銓，楊春勤，謝克振.高速雙體船“飛翼”輪研制綜述[J].交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),1998,21(2)：10-16.

[5] 管義鋒，黃渙青，谷家揚(yáng),等.雙體鋁合金高速客船強(qiáng)度有限元分析研究[J].船舶工程，2011，33(6):14-17.

[6] 宋國(guó)華.雙體船的總體性能設(shè)計(jì)[J].船舶，1998(1)：32-46.

[7] 趙連恩.高性能船舶水動(dòng)力原理與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009.

[8] 謝云平，姚 偉.數(shù)值波浪水池與排水型高速船波浪增阻計(jì)算方法研究[J].船舶工程，2013，35(2):6-8.

[9] 李 煒，王 青.高速排水型雙體船阻力估算的一種方法[J].船舶工程，2007，29(4)：17-20.

[10] 姜宗玉，宗 智.迎浪狀態(tài)下三體船垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)參數(shù)[J].中國(guó)造船，2010，51(4)：11-20.