考慮水介質(zhì)作用的船冰碰撞解耦方法及載荷預(yù)報(bào)

韓文棟，張 健，劉海冬，王甫超

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

考慮水介質(zhì)作用的船冰碰撞解耦方法及載荷預(yù)報(bào)

韓文棟，張 健，劉海冬，王甫超

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

考慮水介質(zhì)在船冰碰撞過程中水壓變化的影響，是模擬水介質(zhì)中船-冰碰撞的關(guān)鍵。本文開展數(shù)值模擬的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究，基于RANS方程和改進(jìn)的雙相流流體體積函數(shù)VOF，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)船冰靠攏全過程中船體表面、冰體表面的壓力變化情況。得到船體表面、冰體表面的P（V）函數(shù)。進(jìn)而將水介質(zhì)對(duì)船冰碰撞載荷的影響簡化為對(duì)船體、冰體碰撞面預(yù)加載荷來實(shí)現(xiàn)，達(dá)到解耦目的。

解耦方法；RANS；壓力；船冰碰撞

0 引 言

冰島北極理事會(huì)于2004年發(fā)布的《北極人類發(fā)展報(bào)告》稱：未來數(shù)十年北極必將成為人類進(jìn)行油氣勘探與開發(fā)以及海上運(yùn)輸?shù)闹饕獔鏊籟1]。北極航道的成功開辟將減少我國對(duì)常規(guī)航道的依賴、降低航運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)降低航運(yùn)成本。但漂浮在航道內(nèi)的浮冰與流動(dòng)的冰山，對(duì)航行于該海域的運(yùn)輸船舶構(gòu)成了極大威脅，使得船冰碰撞概率大大增加。船-冰碰撞的全過程可分為船-冰遠(yuǎn)場、船-冰近場逼近、船-冰接觸碰撞、速度為0或船-冰分離4個(gè)階段，第3階段的接觸碰撞過程中產(chǎn)生的瞬間強(qiáng)沖擊力，固然是研究船-冰碰撞最為值得關(guān)注的載荷，事實(shí)上，在船冰接觸之前的第2階段，船冰之間的水由于受到船冰的擠壓而預(yù)先產(chǎn)生一個(gè)高壓力場也是不可忽略的重要因素，該壓力場一方面使船冰之間產(chǎn)生一個(gè)降低速度的“水墊效應(yīng)”，同時(shí)在船-冰結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生一個(gè)瞬間高壓力載荷。因此，正確模擬碰撞過程中船-水-冰三者的相互作用，是準(zhǔn)確獲得船-冰碰撞載荷的前提。

隨著CFD學(xué)科的飛速發(fā)展，利用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究越來越受到關(guān)注，例如英國格拉斯哥大學(xué)的船舶與海洋工程系[2]分別利用CFD方法和船模試驗(yàn)方法對(duì)水面快艇在靜水中的受力問題進(jìn)行研究對(duì)比。因此，逐漸采用CFD方法模擬復(fù)雜的船舶運(yùn)動(dòng)流場為船舶水動(dòng)力性能研究另辟途徑[3-4]。在眾多的CFD模型中，目前求解RANS方程的方法[5-8]在船舶阻力數(shù)值預(yù)報(bào)領(lǐng)域應(yīng)用最廣。由于該方法可以涉及到非線性自由表面興波和流體粘性影響，因此其計(jì)算結(jié)果更為可靠。

船-冰碰撞過程中，不同的碰撞速度對(duì)船體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及冰體的破損程度具有很大影響，基于船體與冰體采取迎面撞擊的模式。本文將開展基于數(shù)值模擬的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究，建立可以有效模擬船冰大位移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格更新技術(shù)，由于船首表面具有曲線變化，因此如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的更新是本論文的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)；然后通過基于RANS方程和改進(jìn)的雙相流流體體積函數(shù)（VOF）模型，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)船冰靠攏全過程船體、冰體表面的壓力變化。從而構(gòu)建出船體表面壓力P與相對(duì)速度V的函數(shù)關(guān)系，即P（V）函數(shù)。從而將水介質(zhì)對(duì)船冰碰撞載荷的影響簡化為對(duì)船體、冰體碰撞面預(yù)加載荷來實(shí)現(xiàn)，達(dá)到解耦目的。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 三維曲面模型的創(chuàng)建

本文將以1艘無限航區(qū)的成品油船為研究對(duì)象，該船的主尺度見表1。考慮到水介質(zhì)中船冰發(fā)生碰撞的部位主要是船首和船體的肩部，在此只對(duì)船體的首部濕表面進(jìn)行縮尺建模，建模范圍為Fr150-Fr180號(hào)肋位，船首與實(shí)際模型的縮尺比λ=1∶25，通過三維建模軟件Catia創(chuàng)建，并將建好的曲面生成實(shí)體進(jìn)行后期計(jì)算。生成后的縮尺模型如圖1所示；冰體為邊長10 m的正方體，縮尺比與船舶模型保持一致，取為λ=1∶25。

表 1 成品油船主尺度Tab. 1 Oil ship owners scale

1.2 數(shù)值計(jì)算

1.2.1 控制域設(shè)定與網(wǎng)格劃分

船體與冰體的初始距離L=80 cm，正方形冰體的90%位于水線面以下。整體計(jì)算域劃分為內(nèi)域與外域，內(nèi)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，外域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，因本文模擬的為二相流，故劃分了空氣流域與水流域，并對(duì)自由液面進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。圖2給出了計(jì)算控制域內(nèi)船、冰、流場位置關(guān)系以及網(wǎng)格劃分情況。

1.2.2 計(jì)算原理

控制方程為非定常連續(xù)性方程和RANS方程，湍流模型上選擇RNG κ-ε模型，流體體積函數(shù)法（VOF）用于捕捉自由液面，壓力與速度的耦合采用PISO方式。入口條件設(shè)置為速度入口，出口條件設(shè)置為壓強(qiáng)出口，使用Fluent中的UDF功能，且通過編寫UDF程序?qū)崿F(xiàn)船冰的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，編寫UDF程序后期加載到Fluent中去。

1.2.3 檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置

本文的研究主要為后期水介質(zhì)中船-冰碰撞進(jìn)行解耦，求得船-冰碰撞前的高壓力，為更準(zhǔn)確的將壓力施加到后期船冰有限元模型中，在此將船首劃分為幾個(gè)區(qū)域，檢測(cè)每個(gè)區(qū)域內(nèi)代表性點(diǎn)的壓力值。冰體在設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，采用投影的方式，將船首表面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1，P2，P3，P12，P13投影到冰體上。其船首、冰體監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖3所示。

1.2.4 計(jì)算工況設(shè)置

船冰碰撞過程中，相對(duì)碰撞速度V會(huì)對(duì)碰撞效果產(chǎn)生巨大影響，在此針對(duì)不同的速度V進(jìn)行數(shù)值模擬，從而為后期基于水介質(zhì)的船-冰碰撞進(jìn)行解耦。根據(jù)傅汝德數(shù)Fr相似以及實(shí)船實(shí)際航行速度，在此將相對(duì)速度設(shè)置為0.9 ～2 m/s，具體計(jì)算工況如表2所示。

1.2.5 不同時(shí)刻下水汽兩相云圖

圖4給出了在特征速度V=1.6 m/s時(shí)，不同時(shí)刻下的水汽兩相云圖，船體在趨近冰體的過程中，帶動(dòng)周圍流場一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中船體碰撞面自由液面升高，背離碰撞面的自由液面形成一個(gè)漏斗的形狀下陷，稱之為“吸氣”現(xiàn)象。隨著船體不斷的趨近冰體，冰體碰撞面受到來流作用的影響越來越大，冰體碰撞面前的駐點(diǎn)流體速度為0，此時(shí)由于正壓力的增大，使得自由液面逐漸升高。

表 2 相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度表Tab. 2 Relative to the speed table

1.2.6 各測(cè)點(diǎn)壓力峰值變化曲線

1.2.6.1 同一速度下不同測(cè)點(diǎn)壓力峰值變化曲線

以速度V為變量，將速度從0.9～2 m/s進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)船體、冰體表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力峰值進(jìn)行分析，根據(jù)前文設(shè)計(jì)的船體迎面撞擊冰體，此時(shí)的碰撞角度為0°，所以船體左右兩舷的壓力相等，在此分別對(duì)船體監(jiān)測(cè)點(diǎn) P1，P2，P3，P4，P6，P8，P10，P12，P14，冰體監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1，P2，P3，P4進(jìn)行分析。

圖5分別給出了當(dāng)速度V=1.6 m/s時(shí)船體、冰體表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力峰值變化曲線，從圖5（a）可以看出，壓力峰值在船、冰接觸點(diǎn)P2處急劇增大，在點(diǎn)P3～P14處壓力峰值變化相對(duì)平緩；從圖5（b）可看出，壓力峰值在船、冰接觸點(diǎn)P2處急劇增大，其余對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)壓力峰值變化相對(duì)穩(wěn)定，從而說明在船-冰碰撞過程中，接觸碰撞區(qū)在發(fā)生碰撞之前會(huì)預(yù)先形成一個(gè)高壓力。

1.2.6.2 不同速度下各測(cè)點(diǎn)壓力峰值變化曲線

圖6給出了不同速度下船、冰表面各測(cè)點(diǎn)壓力峰值變化曲線，圖6（a），圖6（b），圖6（c）中的船體表面各測(cè)點(diǎn)入水深度大小相等，到冰體的距離不相等，從中可看出隨著遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域其壓力峰值逐漸減小。而隨著相對(duì)速度的增大，其壓力峰值逐漸增大，尤其是監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2壓力峰值變化量最大。圖6（d）為冰體上各測(cè)點(diǎn)壓力峰值變化曲線，從圖可以看出船-冰正撞點(diǎn)P2的壓力峰值遠(yuǎn)大于其余測(cè)點(diǎn)，伴隨著來流速度的增大，各測(cè)點(diǎn)壓力峰值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

1.3 壓力載荷預(yù)報(bào)

在基于大量的數(shù)值仿真數(shù)據(jù)之上，將計(jì)算得到的數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用Matlab軟件擬合出數(shù)值仿真結(jié)果曲線，然后進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式的回歸，得到一般性規(guī)律，為后期船冰碰撞提供必要的載荷輸入。

表3和表4分別以船體、冰體上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1為例，給出了船體、冰體在不同相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（0.9～2.0 m/s）時(shí)的壓力峰值。將相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為X軸，壓力峰值設(shè)置為Y軸，畫出曲線。應(yīng)用Matlab對(duì)曲線進(jìn)行擬合，從而得到圖7所示的圖形，圖中深色曲線代表了計(jì)算壓力峰值隨速度變化，淺色曲線代表了擬合壓力峰值隨速度變化曲線。

表 3 船體表面P1處在不同相對(duì)速度時(shí)壓力峰值Tab. 3 The monitor P1 of the pressure peak on the ship surface at different velocity

表 4 冰體表面P1處在不同相對(duì)速度時(shí)壓力峰值Tab. 4 The monitor P1 of the pressure peak on the ice surface at different velocity

根據(jù)計(jì)算獲得壓力峰值與相對(duì)速度擬合曲線，從而得到船體上測(cè)點(diǎn)P1的擬合公式：P1：y=0.51x2+0.33x+1.99，擬合度達(dá)98.82%；冰體上測(cè)點(diǎn)P1的擬合公式：P1：y=0.55x2+0.15x+2.46，擬合度達(dá)96.86%。

依次對(duì)船體、冰體其余測(cè)點(diǎn)壓力峰值曲線進(jìn)行擬合，可得到擬合公式，如表5和表6所示。

2 結(jié) 語

本文利用CFD對(duì)船冰碰撞之前所形成的預(yù)壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對(duì)不同的船冰相對(duì)速度進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得了船冰在趨近過程中所形成的壓力峰值，對(duì)不同速度下的壓力峰值進(jìn)行分析可獲得如下結(jié)論：

表 5 船體其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)擬合公式Tab. 5 The fitting formula of the rest of the hull monitoring points

1）在相同計(jì)算速度下，船體、冰體表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力峰值大小不等，其中正撞點(diǎn)P2處壓力峰值最大，隨著遠(yuǎn)離碰撞點(diǎn)壓力峰值逐漸減小。

2）隨著相對(duì)速度的增大，船體、冰體表面的壓力峰值分別呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，其中正撞點(diǎn)P2處壓力峰值遞增幅度最大，遠(yuǎn)離碰撞點(diǎn)的遞增幅度逐漸減小。

表 6 冰體其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)擬合公式Tab. 6 The fitting formula of the rest of the ice monitoring points

3）通過對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力峰值進(jìn)行載荷預(yù)報(bào)，后期可對(duì)水介質(zhì)中船冰碰撞進(jìn)行解耦，將水對(duì)船冰碰撞之前所形成的預(yù)壓力施加在有限元模型中，為研究水介質(zhì)中船冰碰撞開辟了一種全新的方法。

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Considering the action of the water medium in decoupling method and load forecast of the ship ice collision

HAN Wen-dong, ZHANG Jian, LIU Hai-dong, WANG Pu-chao
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The influence of water medium on the change of water pressure during the ship collision ice is the key to consider the collision of ship-to-ice in water medium. This paper carried out the numerical simulation of the dynamic grid technology research, based on RANS equations and improved VOF two-phase flow fluid volume function, and the real-time prediction of ship and ice surface pressure changes in the close process. Get the P(V) function on the ship and ice surface.Furthermore, the effect of the water medium on the load of the ship ice collision is simplified to realize the decoupling purpose by means of the preloading load of the hull and ice body.

decoupling method；RANS；pressure；ship collision ice

U661.4

A

1672-7649(2017)11-0017-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.004

2017-07-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579121)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性項(xiàng)目(BY2016073-04)；江蘇省高校自然基金重大項(xiàng)目(15KJA580002)；江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYCX17_1854)

韓文棟(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。