浮式防波堤拖航阻力數(shù)值模擬與試驗(yàn)

闞俊偉，蔣志勇

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

0 引言

隨著人們對(duì)沿海和近岸地區(qū)開(kāi)發(fā)利用的不斷增加，浮式防波堤作為一種新型的防波堤逐漸取代了傳統(tǒng)類型的浮式防波堤。較傳統(tǒng)型浮式防波堤而言，它具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜以及對(duì)地基的要求低等特點(diǎn)。此外，浮式防波堤海水交換能力較強(qiáng)，對(duì)于工作水域的整體性和生態(tài)環(huán)境的影響不大，不會(huì)造成水流的改變以及泥沙的沉積。

對(duì)于浮式防波堤的運(yùn)輸方式很多，濕拖則是其中的一種，即利用拖船對(duì)浮式防波堤進(jìn)行拖航。而拖航阻力的大小則直接影響到拖航過(guò)程的經(jīng)濟(jì)、安全，所以對(duì)于浮式防波堤的拖航阻力的數(shù)值模擬與試驗(yàn)十分重要。

1 浮式防波堤模型介紹

文中所研究的浮式防波堤為圓筒型浮式防波堤，單個(gè)模型如圖1所示。浮式防波堤主要由2個(gè)空心水泥筒和14根水泥連接柱以及防浪網(wǎng)組成。2個(gè)空心浮筒的外徑為4 m，內(nèi)徑為3.7 m，壁厚為0.15 m，長(zhǎng)度為20 m。2個(gè)浮筒間的空隙寬度為2 m，中間用14根間距均為1.5 m的圓柱橫撐連接，橫撐直徑為0.5 m。防浪網(wǎng)的高度為7.5 m，中間的網(wǎng)目尺寸為40 mm，網(wǎng)線的粗度是210 D/90股 (2.35 mm)。此外在防浪網(wǎng)中還添加了浮力等于重力的橡膠小球，橡膠小球的材料是聚乙酸乙烯酯，它的密度為1200 kg/m3，外徑為0.15 m，內(nèi)徑為0.079 m，橡膠小球的總數(shù)約占網(wǎng)籠體積的1/3。防浪網(wǎng)下面設(shè)置的重塊為5 kg的石塊。圓筒型浮式防波堤的總重量約為260 t，吃水約為2 m，重心的垂向高度約為2.171 m。

2 拖航過(guò)程

浮式防波堤在工作狀態(tài)下防浪網(wǎng)放置于水下，但是在拖航過(guò)程中為了減小拖航的阻力降低成本，故將防波堤以倒置的方式拖航，使得防浪網(wǎng)朝上已達(dá)到減小阻力的效果，如圖2所示。

圖2 圓筒型浮式防波堤拖航狀態(tài)圖示Fig.2 Towing state diagram of cylindrical floating breakwater

為了降低拖航成本，將浮式防波堤以6個(gè)為一組的方式進(jìn)行綁扎，也就是說(shuō)每一組將3個(gè)防波堤串聯(lián)綁扎在一起，并排擺放2組防波堤，每個(gè)浮式防波堤之間通過(guò)綁扎繩進(jìn)行連接，形成了2×3=6個(gè)防波堤組合進(jìn)行拖航。由于圓筒型浮式防波堤的前部是平整的圓面，根據(jù)林堅(jiān)等在《浮式防波堤拖航阻力性能研究》中提到，圓筒型浮式防波堤的平整圓面在拖航的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致拖航阻力的增加。為了減小拖航作業(yè)的成本，仿照船舶首部加裝球鼻首的方法，另外準(zhǔn)備了幾個(gè)可以拆卸的錐頭，錐頭高為0.2 m，拖航示意圖如圖3所示。

圖3 浮式防波堤拖航方案示意Fig.3 Program of towing floating breakwater

3 數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

本文通過(guò)FINE/Marine軟件對(duì)浮式防波堤的拖航阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，為了能夠與圓筒型浮式防波堤的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，所以對(duì)于計(jì)算模型以圓筒型浮式防波堤為原型，采用1∶20的比例進(jìn)行建模 (母型浮式防波堤長(zhǎng)20 m，寬10 m，筒徑4 m)。

根據(jù)浮式防波堤拖航時(shí)的組合，為了保證計(jì)算的精度，將整個(gè)計(jì)算域設(shè)為長(zhǎng)、寬、高分別為15.2 m，6.08 m，9.12 m。計(jì)算域水深為7.6 m，水面以上為空氣，其中圓筒型浮式防波堤的進(jìn)水端為3.04 m。浮式防波堤的網(wǎng)格數(shù)目為2486571，網(wǎng)格質(zhì)量良好，可以保證數(shù)值計(jì)算的精度，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 計(jì)算控制區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.4 Computation control domain meshing

本文浮式防波堤計(jì)算模型的邊界條件如下:計(jì)算域的上下表面均為指定壓力邊界，對(duì)于計(jì)算域的左右兩面和出入流面均為速度遠(yuǎn)場(chǎng)邊界。

3.2 計(jì)算工況

本文采用在靜水中進(jìn)行拖航數(shù)值模擬，通過(guò)改變拖航航速對(duì)浮式防波堤的拖航阻力進(jìn)行計(jì)算，航速分別為4 kn，5 kn，6 kn，7 kn，8 kn及9 kn。為了保證實(shí)體與模型的傅汝德數(shù)Fr相等，航速換算如表1所示。

表1 航速換算結(jié)果Tab.1 Conversion results of speed

3.3 數(shù)值結(jié)果分析

圖5為浮式防波堤在靜水中拖航阻力的數(shù)值模擬。從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著航速的增加，拖航阻力呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。當(dāng)航速為4 kn時(shí)，拖航阻力為4.87 N，當(dāng)航速達(dá)到9 kn時(shí)，拖航阻力已增到27.41 N，是4 kn航速時(shí)的5.6倍。從圖中來(lái)看，曲線的增加趨勢(shì)越來(lái)越大，說(shuō)明航速越大對(duì)浮式防波堤的拖航阻力影響越大。

圖5 拖航阻力數(shù)值模擬Fig.5 Numerical simulation of the towing resistance

4 模型試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)概況

浮式防波堤的模型試驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院的船模拖曳水池中完成。拖曳水池長(zhǎng)為100 m，寬為6 m，水深為2 m，拖車的最高航速為6 m/s。與數(shù)值模擬相同，模型也按照1∶20的比例進(jìn)行制作。根據(jù)相似性原理，模型參數(shù)如表2所示。

表2 浮式防波堤試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)列表Tab.2 List of parameters of experimental floating breakwater models

由于拖航過(guò)程中，圓筒型浮式防波堤以6個(gè)為一組，所以以上浮式防波堤模型總數(shù)為6個(gè)，每個(gè)模型的尺寸規(guī)格都一樣。本次試驗(yàn)?zāi)M的是靜水中的拖航過(guò)程，通過(guò)改變拖曳速度來(lái)進(jìn)行模型試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及試驗(yàn)過(guò)程

模型按照預(yù)定要求進(jìn)行綁扎，以6個(gè)為一組進(jìn)行拖曳試驗(yàn)，具體情況如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.6 The figure of test model

本次試驗(yàn)利用電測(cè)式阻力儀對(duì)拖曳阻力進(jìn)行測(cè)量，阻力儀被安裝在拖車上，通過(guò)拖線將阻力儀與浮式防波堤的首端進(jìn)行連接。按照試驗(yàn)速度啟動(dòng)拖車，當(dāng)拖車速度達(dá)到預(yù)定值后，讀取此時(shí)的阻力值。測(cè)量完成后，在拖車減速的同時(shí)將浮式防波堤進(jìn)行制動(dòng)。然后再將拖車退回到起始位置，在水面平靜后再進(jìn)行下一步試驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)水池的溫度進(jìn)行記錄。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖7為浮式防波堤模型試驗(yàn)所得的拖曳阻力情況圖。從圖中可以看出，隨著航速的遞增，拖曳阻力不斷遞增。在速度為4～6 kn時(shí)，拖曳阻力增加較為平緩。但是當(dāng)航速繼續(xù)增加時(shí)，曲線更加陡峭，阻力變化較大。說(shuō)明在高航速下拖航時(shí)，浮式防波堤的拖航阻力更大，不利于拖航的經(jīng)濟(jì)和安全。

圖7 拖航阻力試驗(yàn)Fig.7 Towing resistance test

5 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果比較

為了能夠更好地研究浮式防波堤的拖航阻力情況，將數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖8所示。

圖8 拖航阻力比較Fig.8 The comparison of towing resistance

圖8為浮式防波堤拖航阻力的數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的結(jié)果比較。從圖中可以看出，模型試驗(yàn)結(jié)果比數(shù)值模擬的結(jié)果大。這是因?yàn)殡S著航速的增加，兩者之間的差值也在不斷遞增，由4 kn時(shí)的3.72 N遞增至9 kn時(shí)的14.72 N。在航速為4～7 kn時(shí)，數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的曲線變化程度相似，但是航速繼續(xù)增加時(shí)模型試驗(yàn)的阻力變化曲線更陡，變化更大。

6 結(jié)語(yǔ)

1)浮式防波堤的拖航阻力隨著航速的增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，當(dāng)?shù)竭_(dá)航速時(shí)拖航阻力的增加趨勢(shì)更為明顯。

2)浮式防波堤的拖航阻力試驗(yàn)結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果較高，隨著航速的增加，差值呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

3)當(dāng)航速在4～7 kn時(shí)，數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的阻力增加曲度類似，但是隨著航速的繼續(xù)增加，拖航阻力增加值更大，曲線變陡。

4)此種浮式防波堤在航速為4～7 kn時(shí)，拖航更利于保證拖航過(guò)程的經(jīng)濟(jì)、安全。

［1］陳翔.新型浮式防波堤的設(shè)計(jì)與性能分析［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2015.

［2］楊大明，施奇，尹贊凱.某改型低速船模型阻力試驗(yàn)［J］.中國(guó)水運(yùn)，2008，8(10):28 －30.

［3］林堅(jiān).浮式防波堤運(yùn)輸安全及運(yùn)動(dòng)性能研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2015.

［4］楊西陽(yáng).大型海洋結(jié)構(gòu)拖航阻力分析與應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［D］.天津:天津大學(xué)，2012，11.

［5］OGILVIE T F，TUCK E O.A rational strip theory for ship motions［R］.Part1，Report No.013，Depts.Naval Aich.and Marine Engineering，University of Michigan，AlinArbor，1969.

［6］CHEN G R，F(xiàn)ANG M C.Hydrodynamic interactions between two ships advancing in waves［J］.Ocean Engineering，2001(28):1053－1078.

［7］鄭小龍，黃勝，尚秀敏.基于CFD的船舶阻力預(yù)報(bào)方法研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，28(2):109－113.

［8］船舶與海洋工程專業(yè)仿真平臺(tái)FINE/Marine.

［9］石麗娜.基于AQWA的大型浮體拖航性能研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2011.

［10］趙鵬舉.船舶拖航仿真研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.