高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船淺水阻力研究

侯毅男，李明敏

（1.32381部隊(duì)，北京 100071，2. 廣州海榮實(shí)業(yè)有限公司，廣州 510250）

1 研究背景

1.1 風(fēng)電運(yùn)維船

我國海上風(fēng)電近年來發(fā)展迅猛，以廣東省為例，目前規(guī)劃的海上風(fēng)電場址23個(gè)，總裝機(jī)容量6 685萬kW，計(jì)劃到2020年，海上風(fēng)電建設(shè)投產(chǎn)100萬kW以上。

圖1 廣東省海上風(fēng)電場規(guī)劃布局圖

海上風(fēng)電機(jī)組相對(duì)于陸上來說故障率更高（整體故障率約3%）[1]，并且由于海上環(huán)境惡劣，需風(fēng)電運(yùn)維船來保障海上風(fēng)電場的日常營運(yùn)。風(fēng)電運(yùn)維船的主要功能包括：運(yùn)輸及儲(chǔ)藏電器模塊及油品、維修工具、日常供給物品等；運(yùn)輸工作人員及考察團(tuán)人員等；為工作人員提供食宿休息、傷員緊急救助；風(fēng)場火災(zāi)緊急救助等。

目前的風(fēng)電運(yùn)維船多采用高速雙體船型，主要是基于以下幾個(gè)原因：

（1）在高速段具有良好的阻力性能，確保人員物資的高速抵達(dá)/撤離；

（2）有良好的橫向穩(wěn)定性，可確保頂靠登乘安全作業(yè)；

（3）寬闊的甲板面積，便于存放維修工具及物資。

表1是國內(nèi)部分風(fēng)電運(yùn)維船的技術(shù)參數(shù)。

表1 國內(nèi)部分風(fēng)電運(yùn)維船參數(shù)

國內(nèi)不少學(xué)者開展了有關(guān)雙體風(fēng)電運(yùn)維船船型的相關(guān)研究，如周云司雅[2]運(yùn)用AQWA軟件對(duì)雙體風(fēng)電運(yùn)維船的縱搖性能分析及船首船尾處的橫縱搖耦合升沉幅值和線加速度進(jìn)行了數(shù)值分析；楊鈴玉等[3]對(duì)雙體風(fēng)電運(yùn)維船不同片體間距的阻力影響進(jìn)行了研究。

1.2 淺水阻力

船舶在有限水深水域中行駛受到水底的限制引起船體周圍水的流動(dòng)產(chǎn)生變化，此時(shí)船舶的興波阻力與在無限水深水域中行駛時(shí)的船舶對(duì)應(yīng)的興波阻力有明顯差別。尤其當(dāng)水深與船舶吃水接近的時(shí)候，興波阻力將顯著增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于船舶在無限水深中的興波阻力[4]。淺水中水阻力的變化規(guī)律見圖2。

圖2 淺水中水阻力的變化規(guī)律圖

風(fēng)電運(yùn)維船的航速性能是業(yè)主關(guān)注的重點(diǎn)，由于目前國內(nèi)風(fēng)電場的建設(shè)主要集中在沿海區(qū)域，為控制風(fēng)電塔安裝成本，風(fēng)電塔的安裝水深都在20 m 以內(nèi)，以廣東省湛江外羅海上風(fēng)電為例，從碼頭到最遠(yuǎn)風(fēng)電場航線距離約12.3 n mile，整個(gè)運(yùn)維航線水深基本在10 m以內(nèi)，考慮到目前風(fēng)電運(yùn)維船吃水基本在1～2 m左右，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮淺水效應(yīng)對(duì)船舶阻力的影響。外羅風(fēng)電場航線示意見圖3；航線水深見表2。

圖3 外羅風(fēng)電場航線示意圖

表2 外羅風(fēng)電場航線水深表

國內(nèi)學(xué)者關(guān)于船舶淺水阻力開展了較深入的研究，張偉[5]介紹了有關(guān)淺水阻力的經(jīng)驗(yàn)公式的估算方法，提出了經(jīng)驗(yàn)公式估算船舶淺水阻力的可行性；孫帥等[6]采用數(shù)值模擬方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)船模（KCS）的淺水阻力進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法預(yù)報(bào)淺水阻力的準(zhǔn)確性。

2 淺水阻力計(jì)算

本文以一艘20 m鋁合金高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船為例，見圖4，型線圖見圖5。采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，研究其在淺水環(huán)境的阻力性能，船型主要參數(shù)如下：

船長 19.8m

水線長 18.8m

型寬 8.3m

設(shè)計(jì)吃水 1.6 m

設(shè)計(jì)航速 18 kn

設(shè)計(jì)排水量 ～78 t

CB 0.285

CP 0.305

圖4 20 m高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船

圖5 20 m高速雙體風(fēng)電運(yùn)維船型線圖

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

圖6 近壁面處的速度分布

壁面函數(shù)方法與低雷諾數(shù)模型方法對(duì)網(wǎng)格的要求示意圖見圖7 所示，壁面函數(shù)的應(yīng)用大大減少了捕捉邊界層內(nèi)大梯度流動(dòng)參數(shù)對(duì)網(wǎng)格密度的要求，從而與低雷諾數(shù)模型相比壁面函數(shù)方法通過減少網(wǎng)格數(shù)量提高數(shù)值模擬的效率。

圖7 近壁處理方法對(duì)網(wǎng)格要求示意圖（左：壁面函數(shù)；右：低雷諾數(shù)模型）

數(shù)值模擬中對(duì)自由面的處理采用VOF（Volume of Fluid）方法來捕捉其形狀，同時(shí)使用HRIC（High-Resolution Interface Capturing）格式來處理不混合組分的對(duì)流輸運(yùn)方程。

2.1.2 數(shù)值求解方法

由于船舶繞流物理模型中的控制方程為NS 方程，其高階非線性偏微分的數(shù)學(xué)特征與物理邊界的復(fù)雜幾何形狀導(dǎo)致解析求解困難，本文針對(duì)NS 方程組的求解均采用數(shù)值方法進(jìn)行。

本文采用有限體積法對(duì)整個(gè)流體區(qū)域進(jìn)行離散化，構(gòu)建離散代數(shù)方程組，并通過各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的離散場變量分布近似代替原微分方程組的解析解。

流體域的網(wǎng)格空間離散方法，是綜合考慮計(jì)算對(duì)象的幾何與流場特征、統(tǒng)一網(wǎng)格生成腳本與網(wǎng)格生成工作效率等因素，采用切割體網(wǎng)格與棱柱層網(wǎng)格的網(wǎng)格形式進(jìn)行計(jì)算域的離散。

數(shù)值模型離散方程矩陣的求解采用高斯賽德爾（Gauss-Seidel）迭代方法，通過亞松弛（Under-relaxation）技術(shù)以提高收斂性穩(wěn)定[7]。

2.2 數(shù)值分析

本文根據(jù)實(shí)際水深，設(shè)置代表淺水航道的計(jì)算域底部為無滑移壁面（相對(duì)固定坐標(biāo)系），航道底部距靜水面距離為航道水深。

由于數(shù)值預(yù)報(bào)存在一定誤差，為較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)雙體船淺水阻力，在在特種飛行器研究所（605 研究所）高速水動(dòng)力水池進(jìn)行了模型試驗(yàn)，水池全長510 m，寬6.5 m，水深5 m，拖車最高速度24 m/s。試驗(yàn)制作了1:7縮尺比模型，見圖8。

圖8 模型試驗(yàn)圖

本文研究首先以及模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行修正。

2.2.1 深水阻力

本文按模型試驗(yàn)工況對(duì)該船的深水流場數(shù)值模擬預(yù)報(bào)，并結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行修正，見圖9。

圖9 設(shè)計(jì)載況下的深水興波波形圖（18 kn）

修正后的數(shù)值預(yù)報(bào)方法預(yù)報(bào)誤差控制在5%以內(nèi)，可滿足本文研究需求，圖10 是修正后的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

圖10 修正后的數(shù)據(jù)模擬方法預(yù)報(bào)精度對(duì)比（設(shè)計(jì)載況狀態(tài)）

經(jīng)分析，導(dǎo)致誤差原因包括：

（1）由于幾何模型簡化：數(shù)值模型中未考慮軸系以及舵等附體結(jié)構(gòu)，此附體阻力增阻與水深影響不大，在淺水環(huán)境中按附體阻力增值進(jìn)行修正，與實(shí)際附體阻力值存在誤差；

（2）物理模型與數(shù)值求解誤差：由于數(shù)值方法本身的缺陷，諸如噴濺等流動(dòng)現(xiàn)象捕捉困難，另外由于湍流模型、近壁處理方法等假定；數(shù)值離散誤差等導(dǎo)致數(shù)值結(jié)果存在誤差。

進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)誤差需繼續(xù)修正網(wǎng)格精度，目前在設(shè)計(jì)航速段的預(yù)報(bào)誤差在4%以內(nèi)，基本可滿足研究需求，本文暫不做深入分析。

2.2.2 淺水阻力

本文采用修正后的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)設(shè)計(jì)載況下航速為18 kn 在3 m、6 m 及10 m 水深的淺水流場數(shù)值模擬與阻力預(yù)報(bào)，見圖11。

圖11 設(shè)計(jì)載況下的淺水興波波形圖（18 kn）

2.2.3 數(shù)值結(jié)果分析

淺水流場下的數(shù)值計(jì)算、阻力與流場數(shù)值結(jié)果分析如下：

（1）本文數(shù)值計(jì)算了設(shè)計(jì)航速（18 kn）下，水深傅氏數(shù)（Frh）在0.9～1.7 范圍內(nèi)阻力數(shù)據(jù)情況，淺水阻力增長趨勢明顯，見圖12；

（2）數(shù)值模擬捕捉到船舶阻力隨Frh 增大阻力先增加后減小的現(xiàn)象；同時(shí)在極淺水深（h=3 m）時(shí)船興波中橫波系消失，僅余散波；在水深傅氏數(shù)～1.1（h=6 m）的設(shè)計(jì)載況中，計(jì)算不穩(wěn)定，且波形與其它載況不同明顯不同：船前較大范圍均出現(xiàn)波系的“孤獨(dú)波”現(xiàn)象；

（3）10 m 水深內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的阻力增值；同時(shí)在相同水深，不同載重狀態(tài)下的阻力增值也不同；

（4）結(jié)合數(shù)值工作與船舶原理，船舶阻力的極大值約出現(xiàn)于水深6～7 m 之間。

圖12 不同水深傅氏數(shù)的阻力曲線（18 kn）