楊鈴玉，杭 岑

(1.上海杉達學院 滬東工學院，上海 201209；2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

海上三體風電維護船船型方案及阻力性能研究

楊鈴玉1，杭 岑2

(1.上海杉達學院 滬東工學院，上海 201209；2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

在分析維護船使用及性能要求的基礎上，確立了三體船型方案。在單體船基礎上根據(jù)側(cè)體體積比的不同確定幾組不同的三體船方案，對各個方案進行阻力數(shù)值仿真分析，同時還對三體船主側(cè)體的干擾阻力進行探討，最終得出三體維護船合適的體積比構(gòu)成，從而為海上風電場維護船船型設計奠定一定的基礎。

海上風電維護船；船型方案；三體船側(cè)體體積比例；阻力性能

0 引言

在可再生能源中，風力發(fā)電是除了水能源之外技術最為成熟并且具有很大開發(fā)價值的發(fā)電方式。海上風力發(fā)電近年來得到了比較多的關注，發(fā)展較快。由于海上風電場會受到風浪和潮汐的影響，因此針對海上風電場設計出性能良好的船型以提高維護人員的安全性能顯得尤其重要，同時性能優(yōu)良的船型也能很好地完成維護船的任務從而提高風電場的運行效率。

現(xiàn)代高速三體船具有良好的性能優(yōu)點。三體船由1個主體和2個側(cè)體組成，其船體的長寬比較大，船形較瘦長，有利于減小興波阻力。三體船船型的側(cè)體一般位于主體的兩側(cè)，長度遠小于主體長度，且排水量也較小[1]。跟單體船相比，三體船在高速航行時能夠大大減小興波阻力，耐波性能和橫搖性能比單體船好，且三體船由于兩邊多了2個側(cè)體，使得甲板面積變得較為寬敞，為設備的布置提供了充足的空間[2]。跟雙體船相比，高速三體船具有良好的耐波性，可避免雙體船的扭搖和急搖，并可以減小縱搖和升沉。因此，從性能角度考慮，將三體船船型作為風電維護船型能夠很好地完成維護任務從而減少維護成本。

1 船型方案

三體船的船型研究主要包括側(cè)體的主尺度的選擇、側(cè)體位置的優(yōu)化與側(cè)體排水體積比例確定以及側(cè)體船型優(yōu)化等。一般三體船的主體和側(cè)體均為長寬比很大的細長體，側(cè)體排水體積不超過主體排體積的10%，因此對于主側(cè)體的相對大小目前研究不是很多。本文所研究的三體船側(cè)體排水體積的比例是在單體船的基礎之上將總排水量控制不變，采用不同的主側(cè)體大小比例來衍生出三體船型，同時本文還對主側(cè)體的不同位置進行研究，探討出何種比例分配以及位置組合能夠使得三體船型的阻力性能最佳，為三體船的設計提供參考借鑒。

1.1單體船基本船型

由于目前三體船型資料公開發(fā)表的較少，因此本文在確定三體船型的主要要素時參照的是某22 m單體船，其主要參數(shù)如下：

垂線間長LPP

19.0 m

設計水線長LWL

20.0 m

型寬B

4.0 m

型深D

2.5 m

設計吃水T

1.2 m

設計排水量Δ

44 t

該單體船型船體采取的是圓舭線型，在船型設計軟件NAPA中所生成的船體模型如圖1所示。

1.2三體船主要要素

為了提高甲板面積，增加三體船的耐波性能，將三體船的長寬比適當增加，參照22 m單體船來確定三體船的主要要素。

1.2.1主體水線長LWL1和船寬B1

為了保證三體船主體的尺度和單體船相同，參照單體船的主尺度，三體船船長LWL1=20 m，船寬B1=4 m。

1.2.2主體型深D1和吃水d1

同樣參照單體船的主尺度，三體船的主體型深D1=4 m，吃水d1=1.2 m。

1.2.3側(cè)體水線長LWL2和側(cè)體船寬B2

根據(jù)文獻統(tǒng)計資料可知，側(cè)體水線長一般占主體水線長度的30%～45%[2]?？紤]到所設計三體船的功能及使用要求，取較長的側(cè)體水線長，使得三體風電維護船有較大的甲板面積，所以暫取LWL2=0.375LWL1=7.5 m。

三體船的主體和側(cè)體寬度比例在0.2～0.4左右[3-5]，主體寬度B1=4 m，暫定B2/B1=0.34；側(cè)體寬度為B2=1.36 m，取整為B2=1.4 m。

1.2.4側(cè)體吃水d2

根據(jù)側(cè)體排水體積的不同，側(cè)體的吃水也隨之變化。

1.2.5主側(cè)體的縱向間距l(xiāng)和橫向間距b

側(cè)體的不同位置對于阻力及耐波性能的影響較為明顯，不同的位置可能會讓三體船的性能產(chǎn)生較大的影響。

本文所設計的三體風電維護船考慮到建造的便捷等因素，將縱向位置視為定值即保持側(cè)體的艉封板與主體艉封板齊平。

連接橋的長度過長將會導致船體強度的問題，過短則會造成穩(wěn)性不足。因此，參照三體船的資料將連接橋的長度l定為1.35 m，橫向間距b定為4.5 m。

1.2.6排水量Δ

將三體船總排水量控制和單體船的排水量一致，Δ=44 t，側(cè)體排水量為5.3 t,側(cè)體排水體積占據(jù)總排水體積的比例為12%。

1.3三體船幾何模型的建立

根據(jù)三體船的尺度，側(cè)體排水體積占總排水體積的不同比例確定4組方案進行討論:方案1的比例為9%,方案2的比例為12%,方案3的比例為15%，方案4的比例為18%。

三體船主體和側(cè)體的橫剖線形狀均采用的是圓舭型，側(cè)體對稱布置在主體兩側(cè)，運用船舶設計軟件NAPA軟件對船體進行型線設計。本文以方案2為例，所建模型如圖2所示。

2 阻力數(shù)值仿真

將NAPA中所建的三體維護船模型導入至CFD軟件包FINE-Marine中進行阻力數(shù)值仿真計算，探究主側(cè)體的相對大小以及位置組合對于阻力性能的影響。

2.1仿真方法

將計算模型導入至CFD軟件之后首先需要劃定計算模型的計算區(qū)域。計算域的選取既需要保證對于流場信息的捕捉又需要降低網(wǎng)格數(shù)量，減少計算時間。本文將設計船按1∶10的縮尺比縮小為船模，并采取一半船模進行計算，以減少網(wǎng)格數(shù)量從而縮短計算的時間。通過對流場分析并參考相關文獻[4]，本船模的計算區(qū)域選取的尺寸為(10×2.5×2)L，水池入口距船首2L，水深1.25L。L為船長，本文所用L尺寸為水線長。

計算區(qū)域選擇好之后就需要進行網(wǎng)格的細化，從而進行邊界條件的設置。網(wǎng)格劃分在模塊HEXPRESS中完成。本文中網(wǎng)格的選擇均為六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在該模塊中，對于模型的網(wǎng)格劃分首先進行初始網(wǎng)格的生成，再對該網(wǎng)格進行細化劃分。以方案2的船模為例，最終生成的計算區(qū)域以及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

將生成好的網(wǎng)格文件保存之后可以進行邊界條件的設置。邊界條件的選取應該盡可能地模擬實際情況。本文所設置的邊界條件主要有：水池入口處采用速度入口；設置為船模的設計航速的速度場；出口處采用壓力出口；船體、池壁和頂部以及底部均采用壁面條件；船模的對稱面采用對稱邊界條件。邊界條件的設置如圖4所示。

將22 m單體船的數(shù)值仿真計算結(jié)果與理論值進行比較。在縮尺比為10，實船速度為20 kn時，運用CFD計算仿真分析得到的單體船船模阻力F=21.585 N。通過圓舭艇阻力圖譜[5]換算成實船阻力FS=37.27 kN。同時運用圓舭艇阻力圖譜對該單體船進行阻力理論計算[5]，得到的阻力理論值F=39.49 kN，與CFD數(shù)值仿真計算換算成的實船阻力37.27 kN相差不大，認為該數(shù)值仿真分析方法中的計算域的選擇、網(wǎng)格劃分及邊界條件的設置適合于該類船型，可以將該方法運用在以單體船的排水量的不同分配下的三體船上進行數(shù)值仿真分析來預報船舶阻力。

2.2三體船阻力仿真

2.2.1不同排水體積之比方案的阻力仿真計算

在排水量一定的單體船基礎之上，將總排水量按照側(cè)體不同比例的大小進行分配衍生出來的四種不同主側(cè)體大小的三體船方案：方案1為側(cè)體排水體積占總排水體積的9%，方案2的體積比為12%，方案3的體積比為15%，方案4的體積比為18%。運用上述方法進行阻力數(shù)值仿真計算，在縮尺比為10，實船設計航速20 kn時的船模阻力見表1。

表1 不同體積比方案下船模阻力

通過計算比較發(fā)現(xiàn)，在側(cè)體排水體積占總排水體積的9%～12%時，三體船阻力數(shù)值較??；在側(cè)體排水體積占總排水體積為15%時阻力數(shù)值最大。

2.2.2不同橫向間距下方案的阻力仿真計算

通過對側(cè)體排水體積占總排水體積的不同比例下的三體船方案的阻力性能研究可知，在比例為9%～12%時，三體船的阻力性能較優(yōu)?？紤]到體積比大些可以使三體船的主甲板面積較大，本文對位置研究時所采取的體積比為12%。

三體船由于側(cè)體的引入，使得阻力較為復雜，合理的主側(cè)體的組合位置能夠產(chǎn)生有利的阻力干擾，使得阻力性能優(yōu)良。在保持縱向位置不變，即主側(cè)體保持艉封板齊平的位置下根據(jù)不同橫向位置確定了4組不同方案，各方案下的參數(shù)說明情況見表2。

對不同方案下的三體船船模進行阻力數(shù)值仿真分析計算結(jié)果見表3。

通過計算比較發(fā)現(xiàn)，當主側(cè)體的艉封板保持齊平，橫向間距為101.25%B時，三體船阻力數(shù)值最小，能夠產(chǎn)生有利干擾。

表2 不同橫向位置下各方案的參數(shù)說明

注：此處位置研究中的第一個位置方案下的體積比和前文中的方案2中的要素一樣，因此統(tǒng)一稱為方案2。

表3不同橫向間距下的船模阻力

3 干擾阻力探討

三體船由于側(cè)體的引入，使得主體和側(cè)體之間存在著干擾阻力。上文對于主側(cè)體的不同大小以及橫向位置的不同進行探討，得出一個合適的體積比以及橫向間距使得三體船的阻力相對較小。對于側(cè)體的相對大小是否會對干擾阻力產(chǎn)生影響，本文也作出了相應的研究。將上文中的3組不同比例方案下的三體船主側(cè)體分別進行阻力性能研究，運用CFD軟件FINE-Marine對3組不同方案的三體船模進行阻力性能分析，在縮尺比為10，實船設計航速20 kn時探討不同的側(cè)體大小對于干擾阻力的影響。3組方案下船模的主側(cè)體積分項阻力見表4。

表4 3組方案下船模的主側(cè)體分項阻力

通過計算分析可知，在側(cè)體排水體積占總排水體積的12%，即在單體船基礎之上將12%的排水體積分配給側(cè)體形成的三體船并且主側(cè)體的艉封板保持齊平，橫向間距為101.25%B=4.05 m時主側(cè)體之間能夠形成有利干擾。

4 結(jié)論

本文經(jīng)過比較分析確定采用三體船型作為海上風電場維護船船型，經(jīng)初步分析研究得出以下結(jié)論：

(1)三體船型是目前較新的船型，具有寬大的甲板、優(yōu)良的阻力及耐波性能，能夠完成海上風電場維護船的維護工作，因此選用三體船型作為維護船型能夠很好地完成海上風機的運行與維護任務。

(2)將22 m的單體船運用CFD進行阻力仿真分析，所得結(jié)果與理論值相比，結(jié)果較為接近，表明運用CFD數(shù)值仿真分析計算時所劃分的流域大小、網(wǎng)格劃分以及邊界條件的設置合理，能夠用來預報三體船型的阻力性能。

(3)由于三體船目前實船資料較少，對于三體船的設計造成很大不便，因此本文在單體船基礎上，通過合適的側(cè)體體積比例以及不同的橫向間距產(chǎn)生幾組不同的三體船型方案，并根據(jù)所確定的主要要素進行型線建模，通過阻力數(shù)值仿真分析得出9%～12%比例下，且橫向間距為101.25%B時的三體船型方案阻力數(shù)值較優(yōu)。

(4)在單體船基礎上，通過側(cè)體體積的不同比例分配所得出的3組三體船方案，將主體和側(cè)體分別進行阻力數(shù)值仿真分析，比較后發(fā)現(xiàn)，在側(cè)體排水體積占總排水體積的比例為12%時，三體船主側(cè)體之間能夠產(chǎn)生有利干擾。

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[5] 中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設計實用手冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1998.

U662.2

A

2016年“上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃”

2017-06-28

楊鈴玉(1990—)，女，碩士，助教，主要從事船舶設計方面的研究。