劉雨?凌宏杰

摘 要：雙駁船抬吊法被越來越多用于大噸位沉船整體打撈，其作為多體系統(tǒng)存在著復(fù)雜的水動力特性，尤其在深水中應(yīng)用尚需進一步研究。本文基于粘流理論，借助 CFD 軟件 FINE/Marine對雙駁船抬吊法在深水海域整體打撈大噸位沉船作業(yè)過程中受到的流載荷進行數(shù)值分析，給出沉船不同浸沒水深不同方向的流力系數(shù)，重點分析了沉船出水后的多體系統(tǒng)流載荷和流場分布情況，研究多體系統(tǒng)的遮蔽效應(yīng)。相關(guān)研究結(jié)果對雙駁抬吊沉船整體打撈方案設(shè)計中的船舶水動力及運動特性分析具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：沉船打撈；多體系統(tǒng)；CFD；流載荷；遮蔽效應(yīng)

中圖分類號：U676.6+2

文獻標(biāo)識碼：A

0 引 言

隨著世界海洋運輸?shù)陌l(fā)展，海損事故沉船的大型化、深水化趨勢明顯，對事故沉船的打撈能力的發(fā)展也在推進。采用液壓同步提升技術(shù)的雙駁抬吊沉船打撈工藝，具有打撈噸位大、自動化高、可控性強等優(yōu)點[1]，近些年被應(yīng)用于大噸位沉船整體打撈，如：2007年煙臺打撈局完成的“暢通”號艉段整體打撈工程，2017年上海打撈局完成的韓國“世越”號整體打撈工程等，標(biāo)志著我國已具備60 m以內(nèi)淺海區(qū)整體打撈2萬～3萬噸級沉船的能力，但在深海大噸位沉船打撈技術(shù)方面還有待提高[2]。使用雙駁抬吊技術(shù)進行沉船整體打撈作業(yè)過程中，整個打撈系統(tǒng)是一個變化的多體系統(tǒng)，具有復(fù)雜的水動力現(xiàn)象， 常規(guī)單船漂浮狀態(tài)下流載荷計算方法此時已不再適用。流載荷作為打撈系統(tǒng)受到的主要環(huán)境載荷之一，對打撈駁船的運動響應(yīng)及沉船提升過程中的水平漂移作用明顯，給打撈作業(yè)安全帶來很大影響。因此，針對雙駁抬吊沉船打撈作業(yè)進行較為全面準(zhǔn)確的流載荷計算分析變得十分必要。

CFD（Computational Fluid Dynamics） 計算流體力學(xué)數(shù)值仿真方法已成為船舶水動力性能研究的首選方法[3]，適用于不同類型無實驗數(shù)據(jù)的船舶流載荷計算。倪歆韻[4]基于 SST k-ω 湍流模型利用CFD方法對某鉆井平臺流載荷進行了計算，并通過與模型試驗結(jié)果進行對比分析，驗證了CFD數(shù)值計算方法的可靠性。田喜民[5]采用CFD方法基于不同湍流模式對KVLCC2模型的斜航運動粘性流場進行了數(shù)值模擬，得出了SST k-ω 模式更為適合于船舶斜航運動粘性流場數(shù)值模擬的結(jié)論。對于完全浸沒于水中的沉船或多船體并靠在一起多體系統(tǒng)的流載荷，相關(guān)研究工作還相對較少。秦飛等[6]基于三維勢流理論提出了兩船并靠作業(yè)時流載荷的遮蔽效應(yīng)，但并未考慮到粘性的影響。于佳暉[7]利用 CFD軟件計算并靠補給作業(yè)中船舶的流載荷，分析了各種工況因素對船舶流載荷遮蔽效應(yīng)的影響。Hong 等[8]運用 STAR-CCM+數(shù)值仿真方法計算了三船并靠補給時不同流向角下的流載荷結(jié)果，證明了流載荷在并靠補給作業(yè)時存在明顯遮蔽性。湯翔宇[9]基于粘流理論和SST k-ω湍流模型利用 CFD 軟件對非對稱半潛式平臺雙浮體的流載荷進行了數(shù)值計算，并通過與模型試驗結(jié)果對比，得出數(shù)值模擬誤差小于 5.34%。

相對于淺水海域，應(yīng)用雙駁船抬吊法進行深水沉船打撈時，需使用較長的起吊索具，沉船起吊距離和時間也更長，海流分層明顯，整個打撈起吊系統(tǒng)受到的流載荷也更為復(fù)雜。本文針對300 m 水深使用雙駁船抬吊法對大型沉船進行整體打撈為研究案例，基于粘性流體理論，借助 CFD 軟件 FINE/Marine分別對位于不同浸沒深度雙駁抬吊的沉船出水后的多體打撈系統(tǒng)的流載荷和流力系數(shù)進行計算分析，研究雙駁船抬吊深水打撈大型沉船不同工況下的流場分布，為實際工程中打撈方案的前期設(shè)計中的船舶水動力及運動響應(yīng)分析提供參考依據(jù)。

1 FINE/Marine簡介

Fine/Marine軟件是由 NUMECA 公司開發(fā)的一款專業(yè) CFD 軟件包，可以快捷、準(zhǔn)確地解決船舶與海洋工程領(lǐng)域的船舶操縱性、耐波性、阻力與流動等問題。該軟件運作流程主要有構(gòu)造初始幾何模型、劃分全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、粘性流場求解器以及后處理流場分析，主要軟件構(gòu)成如圖1所示。

HEXPRESS[10]采用全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可用于任何復(fù)雜二維和三維幾何體的網(wǎng)格生成，并且采用了八叉樹網(wǎng)格拆分方法和由體到面的生成技術(shù)，在物面附近網(wǎng)格被適當(dāng)細(xì)化并投影到物面上，從而形成貼體網(wǎng)格，將復(fù)雜計算域的網(wǎng)格生成簡化為以下幾步，如圖2所示。

Fine/Marine內(nèi)置的ISIS-CFD求解器提供的主要功能包括導(dǎo)入網(wǎng)格模型、選定計算模型和離散格式、給定體的運動方式等，而且可以快速、高效地對船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的快速性、耐波性、操縱性以及船槳耦合等專業(yè)問題進行高精度預(yù)報。Fine/Marine擁有功能全面且強大的CFView后處理模塊，能夠直觀地了解內(nèi)外部流場，可以快速地提供流場細(xì)節(jié)圖片和顯示流場參數(shù)，方便實現(xiàn)定性、定量參數(shù)的分析。

2 數(shù)值計算模型及輸入

2.1? 計算案例簡介

在本計算案例中，一艘載重量近萬噸的集裝箱船呈正坐狀態(tài)沉沒于300 m水深的我國南海海域。根據(jù)國家海洋環(huán)境預(yù)報中心數(shù)據(jù)[11]，南海300? m水深海域表面流速大概1.5 kn，50 m水深處流速約為1 kn，100～300 m水深流速受洋流影響變化較小，約為0.1～0.5 kn。2艘安裝有16套液壓同步提升系統(tǒng)的駁船，左右對稱的布置在沉船兩側(cè)，通過32道同步提升索具連接至沉船船體結(jié)構(gòu)，將沉船從300 m海底提升至一半船體出水。在此打撈方案中，一共有3個大型結(jié)構(gòu)物處于水中。在打撈初期，2 艘抬吊駁船漂浮在水面上，而沉船內(nèi)部充滿了水并淹沒在水下。在打撈末段，沉船部分出水，夾在2艘抬吊駁之間一起漂浮在水面上。整個打撈系統(tǒng)的布置方案如圖3所示。

2艘抬吊駁船和沉船的主要參數(shù)及重量信息見表1、表2。

2.2? 坐標(biāo)系定義

計算中使用右手坐標(biāo)系描述船舶流場速度勢。分析沉船和沉船出水后多體系統(tǒng)的流載荷2種情況的坐標(biāo)系定義如圖4、圖5所示，坐標(biāo)原點均取在沉船重心處，x軸平行沉船基線指向船艏，y軸指向沉船左舷，z軸垂直船體水線面豎直向上。流向角定義如下：沿艏部方向來流定義為 0°，沿右舷方向來流定義為 90°，沿艉部方向來流定義為 180°。

2.3? 計算模型建立及網(wǎng)格劃分

基于三維建模軟件完成沉船和抬吊駁的三維建模，如圖6、圖7所示。實物模型進行簡化處理，簡化準(zhǔn)則如下：

（1）不改變船舶總體結(jié)構(gòu)特征；

（2）忽略嚴(yán)重影響網(wǎng)格劃分的對水動力影響較小的部件（如尾軸、側(cè)推器軸孔等）；

（3）沉船和抬吊駁的基礎(chǔ)參數(shù)見表1和表2。

為提高沉船與抬吊駁變流向角時計算域內(nèi)網(wǎng)格生成效率，整個計算域處理方式如下：

（1）整個計算域采用矩形，6 L×3 L×2 L（L為船舶特征長度），船舶所在位置采用球域，直徑為1.8 L，球域與矩形域之間采用滑移網(wǎng)格處理；

（2）保證船舶變流向角時，只需旋轉(zhuǎn)船舶所在位置網(wǎng)格重新生成，內(nèi)域和外域網(wǎng)格無需重新生成，從而提高網(wǎng)格生成效率，盡量保證變流向角時計算域內(nèi)網(wǎng)格分布和數(shù)值的一致性；

（2）針對多體系統(tǒng)的兩船間隙位置處進行網(wǎng)格加密，以捕獲流場劇變特性；

（3）經(jīng)過網(wǎng)格敏感性分析后，最終確定沉船數(shù)值計算網(wǎng)格總數(shù)為225萬，多體系統(tǒng)數(shù)值計算網(wǎng)格總數(shù)為637萬。

沉船和多體打撈系統(tǒng)的計算域和網(wǎng)格劃分如圖8、圖9所示。

2.4?; 計算工況設(shè)定

對于沉船浸沒狀態(tài)下單船體的流速載荷計算，選取沉船基線深度為50 m和300 m，分別對應(yīng)0.55 m/s和0.25 m/s兩種定常流速，流向角：0°～180°。對于抬吊駁與沉船構(gòu)成多體系統(tǒng)的流速載荷計算，選取沉船基線距自由面深度6 m，抬吊駁吃水7. 5 m，抬吊駁間距固定為25.6 m，表面流為0.75 m/s定常流速，流向角：0°～180°。

2.5? 計算條件設(shè)置

基于粘性流體理論，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)（為提高網(wǎng)格生成效率），不同浸沒深度的沉船和多體系統(tǒng)采用約束模式開展其流載荷數(shù)值計算。具體參數(shù)設(shè)置如下：

（1）沉船單船體流載荷數(shù)值計算選擇單相流；抬吊駁與沉船構(gòu)成多體系統(tǒng)流載荷數(shù)值計算選擇雙相流。

（2）選用非穩(wěn)態(tài)時間布局模型；選用比較適合于船舶繞流復(fù)雜流動的k-ω （SST-Menter）湍流模型；固壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，上邊界和下邊界采用指定零壓力；入口邊界、出口邊界給定設(shè)計流速，兩側(cè)邊界為遠(yuǎn)場；流體參數(shù)設(shè)定為15 ℃海水，密度為1 026 kg/m3，動力粘性系數(shù)取0.0009 pa·s。

（3）采用AVLSMART離散格式對于動量方程和湍流方程進行離散；為了減小自由液面模擬的數(shù)值耗散誤差，自由液面運動方程采用可壓縮性的 BRICS 格式離散。

3 計算結(jié)果及分析

3.1? 流載荷方向及流力系數(shù)定義

通常，我們把作用在船舶上沿著船長的流載荷定義為縱向流載荷，沿著船寬方向的流載荷定義為橫向流載荷。

此外，為了更好地反映多體打撈系統(tǒng)中各單體結(jié)構(gòu)在不同水平角度下的流體阻力特性，計算得出的不同工況下的流載荷將按照以下處理方式得到對應(yīng)的無因次的流力系數(shù)：

縱向流力系數(shù)

橫向流力系數(shù)

式中：Rx為流載荷縱向分量，N；Ry為流載荷橫向分量，N；P為流體密度，kg/m3；V為流速，m/s；AT為船水下橫向投影面積，m2；AL為船水下側(cè)向投影面積，m2。

3.2? 不同浸沒深度沉船流載荷計算與分析

由于船舶具有對稱性，18°～360°的結(jié)果為0°～180°計算結(jié)果的鏡像。圖10給出了不同水深狀態(tài)流載荷和流力無因次系數(shù)分布圖，從圖中可以看出流速0.25 m/s與0.55 m/s對應(yīng)的沉船的阻力無因次系數(shù)基本一致，誤差小于8%，縱橫向流力系數(shù)相差較大；出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，縱向力為主流向，所研究的流速對應(yīng)雷諾數(shù)超過臨界雷諾數(shù)，而橫向力主要是流體受到結(jié)構(gòu)物阻塞分流，在y方向流速較低，未超越臨界雷諾數(shù)所致。該現(xiàn)象從縱向流力系數(shù)遠(yuǎn)大于橫向流力系數(shù)得到應(yīng)證。

3.3? 多體系統(tǒng)干擾下流載荷計算與分析

2艘吊駁船與沉船組成多體系統(tǒng)具有對稱性，180°～360°的結(jié)果為0°～180°計算結(jié)果的鏡像。圖11給出了多體系統(tǒng)中沉船、抬吊駁1和抬吊駁2對應(yīng)流載荷和流力系數(shù)分布圖，從圖11a和圖11b中可以看出沉船的橫向與縱向流載荷處于同一量級，與單個沉船的流載荷分布規(guī)律完全不同，主要受到多體干擾，沉船周圍流場較為復(fù)雜，抬吊駁對沉船的遮蔽效應(yīng)非常明顯。

對于抬吊駁而言，0°～180°旋轉(zhuǎn)過程中，抬吊駁1處于迎流面對沉船和抬吊駁2具有遮蔽效應(yīng)，沉船和抬吊駁2處于其繞流場中，整體流載荷處于波動不穩(wěn)定狀態(tài)。抬吊駁1所示流載荷明顯大于抬吊駁2，抬吊駁2的流載荷分布規(guī)律及量值與抬吊駁1完全不同，除0°和180°抬吊駁1和抬吊駁2關(guān)于流向?qū)ΨQ狀態(tài)外，兩者所受流載荷相當(dāng)。

圖12給出了抬吊駁1與抬吊駁2干擾流載荷分布圖，從圖12a中可以看出，0°～180°流向范圍內(nèi)，尤其是橫流附近情況下，抬吊駁1對抬吊駁2的遮蔽效應(yīng)明顯，抬吊駁1的總阻力明顯大于抬吊駁2，抬吊駁2處于抬吊駁1的繞流場環(huán)境中，流向發(fā)生改變，因此抬吊駁2的橫向力大于抬吊駁1。

為了定量說明抬吊駁1對抬吊駁2流阻力的影響，圖12b給出了相對于抬吊駁1，抬吊駁2流阻力變化量分布圖（圖中正值表示抬吊駁1大于抬吊駁2，負(fù)值表示抬吊駁2大于抬吊駁1）。從圖中可以看出：偏縱流情況下（如0°～30°和150°～180°），2條抬吊駁縱向流阻力大小相當(dāng)；偏橫流情況下，由于遮蔽效應(yīng)更明顯，抬吊駁1的縱向流阻力普遍大于抬吊駁2，抬吊駁2流載荷減小量在90°流向最大約61.3%；偏橫流情況下（如60°～120°），由于遮蔽效應(yīng)，抬吊駁1的橫向流阻力普遍大于抬吊駁2，偏縱流和斜流情況下，抬吊駁1的橫向流阻力普遍小于抬吊駁2，抬吊駁2流載荷增量在30°流向最大約185.4%。

3.4? 沉船及多體系統(tǒng)流場分布

圖13給出了不同流向角下沉船中縱剖面流場速度云圖，從圖中可以看出在沉船處于完全浸沒狀態(tài)，流向角對船體流速分布影響較大，尤其沉船尾樓附近流場變化較為劇烈，存在明顯的渦流現(xiàn)象，且對流向角敏感。圖14給出不同流向角下多體系統(tǒng)自由面處流場圖，從圖中可以看出多體系統(tǒng)對流場的影響較大，沉船與抬吊駁之間的狹窄水域內(nèi)部流速存在激變現(xiàn)象；受到多體之間的遮蔽效應(yīng)，流向角對多體系統(tǒng)的流場分布規(guī)律影響較大。尾流場的影響區(qū)域與迎流截面積成正比，遮蔽區(qū)內(nèi)部存在明顯渦流現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文基于粘性流體理論，以300 m水深使用雙駁船抬吊法整體打撈大噸位沉船為研究案例，借助CFD 軟件FINE/Marine對雙駁船抬吊法在深水海域整體打撈大型沉船作業(yè)過程中受到的流載荷進行數(shù)值計算分析。

對于沉船在提升過程中處于完全浸沒狀態(tài)時，計算得出沉船位于不同水深，受到不同海流情況下的流載荷和流力系數(shù)，并給出各流向下的流場分布，通過分析發(fā)現(xiàn)不同水深和流速下的流力系數(shù)相差不大。

對于沉船被提升出水后與雙抬吊駁船形成的多體系統(tǒng)，計算得出其流載荷和流力系數(shù)，給出各流向下的流場分布，通過分析發(fā)現(xiàn)船體狹窄間隙存在流速激變現(xiàn)象，多體系統(tǒng)的遮蔽效應(yīng)明顯。

本文相關(guān)研究結(jié)果可以為打撈系統(tǒng)水動力及運動特性分析提供數(shù)據(jù)支持，為實際工程中打撈方案的前期設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。

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