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      受限水域40萬噸礦砂船下沉量計(jì)算分析*

      2020-08-26 07:26:44吳煒煌劉敬賢李歡歡
      關(guān)鍵詞:縮尺礦砂船模

      吳煒煌 劉 釗 劉敬賢 李歡歡

      (武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

      0 引 言

      超大型船舶在受限水域航行時(shí)會(huì)有明顯的船體下蹲現(xiàn)象,而船體下蹲使得船體下方富余水深減少,故在受限水域航行易發(fā)生船舶擱淺、觸底等事故,造成經(jīng)濟(jì)損失甚至是人員傷亡[1].超大型礦砂船(very large ore carrier,VLOC)主要用于運(yùn)輸各種散裝礦砂等大宗商品,其船型大、吃水深,對配套航道的要求較高,受制于水深條件,通常需要乘潮進(jìn)出港[2].目前,多個(gè)沿海港口如大連、青島、連云港等已引入VLOC,但對于其進(jìn)出港航行安全的關(guān)鍵技術(shù)方面尚未完全突破.隨著VLOC到港數(shù)量的劇增,通航安全保障的需求更為迫切.為保證VLOC進(jìn)出港航行安全,增強(qiáng)VLOC與航道通航水深方面的適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)其在進(jìn)出港航行富余水深方面的精細(xì)化和自動(dòng)化管理,針對VLOC航行船體下沉量的研究有重要的實(shí)用意義.

      針對VLOC航行船體下沉量研究方面,文獻(xiàn)[2]在40萬噸船舶進(jìn)出董家口港的水深適應(yīng)性方面進(jìn)行了分析,提出了進(jìn)出港的合適時(shí)機(jī)和方法.文獻(xiàn)[3]通過分析VLOC在淺水域航行的影響因素,指出靜態(tài)富余水深和動(dòng)態(tài)富余水深的計(jì)算方法.但總體來說,針對VLOC船體下沉量的相關(guān)研究較少,研究工作主要是在船舶操縱層面對VLOC航行的富余水深進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性分析[4-5],缺少客觀合理的定量計(jì)算方法,難以衡量船速、淺水效應(yīng)、岸壁效應(yīng)等對VLOC下沉量的影響.

      基于船體下沉量方面的研究經(jīng)驗(yàn),對于船舶下沉量的度量方法主要有理論計(jì)算方法[6]、經(jīng)驗(yàn)公式方法[7]、實(shí)船試驗(yàn)方法[8-9],以及數(shù)值方法.其中,數(shù)值方法是結(jié)合理論方法、經(jīng)驗(yàn)公式、計(jì)算機(jī)建模的綜合方法,該方法相比于試驗(yàn)方法成本低,是一種較為經(jīng)濟(jì)、有效的手段.計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)是下沉量預(yù)報(bào)中較為精確的數(shù)值方法,應(yīng)用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)軌蛳叨刃?yīng)對船模試驗(yàn)的影響,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際更為吻合[10-11],具有十分明顯的優(yōu)勢.故論文將基于計(jì)算流體力學(xué)和縮尺船模試驗(yàn)方法,針對VLOC航行船體下沉量的精確計(jì)算開展深入研究.

      1 VLOC實(shí)船及數(shù)值仿真方法

      1.1 40萬噸礦砂船船型參數(shù)

      40萬噸超大型礦砂船長362 m,高30.4 m,寬65 m,船體由49 mm厚高強(qiáng)度鋼板組成,設(shè)計(jì)吃水深度23 m,設(shè)計(jì)航速14.5 kn.船型主尺度參數(shù)見表1,船??s尺比為1∶100.

      表1 40萬噸礦砂船主尺度參數(shù)表

      1.2 數(shù)值仿真方法

      數(shù)值仿真分析主要是基于計(jì)算流體力學(xué)理論結(jié)合商用軟件進(jìn)行仿真預(yù)測的方法進(jìn)行理論研究.數(shù)值模擬方法來源于理論的計(jì)算流體力學(xué)分析,其中,求解雷諾時(shí)均(reynolds averaged navier-stokes,RANS)方程的方法在船舶操縱性的預(yù)報(bào)方面具有顯著優(yōu)勢.

      流體計(jì)算域的離散采用有限體積法(finite volume method,F(xiàn)VM).時(shí)間離散采用一階歐拉差分;空間離散的對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式,擴(kuò)散項(xiàng)采用二階梯度.通過VOF(volume of fluid)法捕捉自由液面.VOF通過網(wǎng)格單元中流體的體積分?jǐn)?shù)確定自由液面,其守恒形式的方程為

      (1)

      式中:α為流體體積分?jǐn)?shù),表示網(wǎng)格中不同相流體的體積與網(wǎng)格體積的比值,其值在0~1.

      高分辨率界面捕捉(high resolution interface capturing,HRIC)對流差分格式的應(yīng)用可以提高VOF法的自由液面捕捉能力.采用混合壁面函數(shù)模擬近壁面的平均流動(dòng),此方法適用于處理不同質(zhì)量的壁面網(wǎng)格.壓力-速度耦合采用SIMPLE格式.采用SSTk-ε湍流模型[12]使RANS方程組封閉.

      當(dāng)浮力和重力存在一定差值的時(shí)候,船體會(huì)產(chǎn)生下沉,根據(jù)阿基米德的浮力改進(jìn)定理:

      (2)

      式中:D為船舶排水量;TPC為船舶每下沉1 cm的吃水噸數(shù);Δd為船舶吃水的增加量.

      同時(shí),船舶在航行過程中,船體也會(huì)出現(xiàn)一定程度的縱傾.

      (3)

      式中:Δt為船舶縱向傾斜的下沉量;MTC為船舶的縱向傾斜力矩;Rt為總阻力,N.

      計(jì)算時(shí),VLOC船體的下沉和縱傾運(yùn)動(dòng)可以通過CAE軟件中的DFBI(dynamic fluid body interaction)模塊進(jìn)行模擬.DFBI模塊通過在計(jì)算域中對網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行插值對六自由度的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬,從而計(jì)算得到總的力和力矩,進(jìn)一步更新流場的信息和船體的位置.基于ITTC標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算船舶在深水中航行時(shí)的時(shí)間步長可由公式(0.05-0.01Lpp/V)決定.與深水區(qū)域相比,受限水域中的流動(dòng)更加不穩(wěn)定,因此,本文采用了更小的時(shí)間步長(<0.002Lpp/V),保證計(jì)算會(huì)更加精確,仿真結(jié)果可信度更高.

      2 不同實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

      2.1 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格劃分方法

      利用計(jì)算流體力學(xué)對VLOC下沉的計(jì)算主要分為前處理、計(jì)算和后處理三部分,前處理主要是對VLOC的CFD模型進(jìn)行構(gòu)建,在CAE軟件中進(jìn)行前處理設(shè)置,主要是邊界條件、流體進(jìn)出口條件和工況設(shè)置,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行迭代計(jì)算.后處理是對數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)和數(shù)據(jù)分析.

      VLOC相應(yīng)的網(wǎng)格劃分見圖1.船體前方為速度入口邊界,后方為壓力出口邊界,船體表面、水池兩側(cè)壁和水池底部均為無滑移壁面邊界,通過VOF法模擬自由表面.為減少入口和出口邊界處波的反射,分別在入口和出口處設(shè)置長度為5 m的數(shù)值阻尼.由于對稱性,只需對計(jì)算域的一半進(jìn)行計(jì)算.

      圖1 VLOC計(jì)算網(wǎng)格

      2.2 縮尺船模試驗(yàn)設(shè)置

      由于船舶航速、水深吃水比、弗勞德數(shù)均會(huì)對富余水深產(chǎn)生影響.航速越大時(shí),船舶垂向下沉量越大;在水深吃水比較小的淺水中,船舶航行容易進(jìn)入臨界狀態(tài),淺水效應(yīng)更為明顯,更易出現(xiàn)較大的船首下沉量;水深弗勞德數(shù)則直接反映了航速與水深之間的關(guān)系.

      本文計(jì)算的主要工況為不同水深吃水比、不同航速下船體航行阻力、船舶縱傾和重心處的下沉量,縮尺船模試驗(yàn)主要選取五種水深吃水比和四種航速工況,具體工況見表2.

      表2 40萬噸超大型礦砂船縮尺船模靜水試驗(yàn)工況

      3 40萬噸礦砂船下沉量計(jì)算結(jié)果分析

      3.1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

      基于數(shù)值模擬的方法,對VLOC的船體總阻力、船體重心下沉量和船體縱傾角進(jìn)行研究,并將結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對比分析,見圖2~6.

      圖2 h/T=1.2時(shí),Rt、S和α隨Fr的變化趨勢

      圖3 h/T=1.5時(shí),Rt、S和α隨Fr的變化趨勢

      圖4 h/T=2.0時(shí),Rt、S和α隨Fr的變化趨勢

      圖5 h/T=3.0時(shí),Rt、S和α隨Fr的變化趨勢

      圖6 h/T=4.0時(shí),Rt、S和α隨Fr的變化趨勢

      數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,船體的總阻力、船體重心下沉量和縱傾角會(huì)隨水深弗勞德數(shù)的增大而增大,隨水深的增大而減小.在水深吃水比較小(h/T<1.5)時(shí),船體總阻力、下沉量及縱傾角受水深的影響較為明顯.而當(dāng)h/T>2時(shí),三個(gè)物理量隨水深的變化較小.因此,VLOC在水深較淺的水域航行時(shí)下沉量應(yīng)得到足夠重視.

      3.2 縮尺船模試驗(yàn)結(jié)果分析

      論文在不同的水深和航速等工況下進(jìn)行縮尺船模試驗(yàn)研究,針對VLOC的船體總阻力、船體重心的下沉量和船體縱傾角進(jìn)行研究,得到各物理量不在同工況下的變化規(guī)律,見圖7.

      圖7 不同水深吃水比條件下Rt、S和α隨Fr的變化趨勢

      VLOC縮尺船模試驗(yàn)分別研究了航速、水深吃水比對船體下沉量的影響,主要結(jié)論如下:

      1) 淺水航行時(shí),船體阻力隨著航速的提高而增大,航速越大時(shí)非線性增加更為顯著.

      2) 船體下沉量隨著航速的提高而增大,水深吃水比越小,船體下沉量增大更加明顯.

      3) 淺水航行狀態(tài)下,船舶縱傾角隨著航速的增加而增大,水深吃水比越小,船舶縱傾角增加越明顯.

      4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

      4.1 不同速度下的船體下沉相關(guān)性分析

      基于數(shù)值和縮尺船模試驗(yàn)結(jié)果對比可知,航速是影響船體下沉量最為顯著的影響因子,故進(jìn)一步深入探討航速與下沉量的相關(guān)性,利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表3.

      表3 不同h/T時(shí)相關(guān)性分析表

      由表3可知,當(dāng)h/T=1.2時(shí),船舶航速和船體的下沉量樣本的P值小于顯著性檢驗(yàn)結(jié)果0.05,說明在h/T=1.2的時(shí)候,航速和下沉量具有較強(qiáng)的相關(guān)性.當(dāng)h/T=1.5時(shí),P值同樣小于顯著性檢驗(yàn)0.05,意味著當(dāng)h/T=1.5的時(shí)候,船舶速度和下沉量具有較強(qiáng)的相關(guān)性,同時(shí),雙側(cè)檢驗(yàn)值為0.011,說明h/T=1.5呈現(xiàn)的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系.當(dāng)h/T=2時(shí),P值和雙側(cè)檢驗(yàn)值和1.5的時(shí)候結(jié)果具有高度一致性,說明h/T在1.5和2的區(qū)間內(nèi),航速和下沉量呈現(xiàn)的關(guān)系比較強(qiáng).當(dāng)h/T=3時(shí),雙側(cè)檢驗(yàn)值大于0.05,說明速度和下沉量的相關(guān)性下降,但P值滿足假設(shè)檢驗(yàn),說明線性的相關(guān)性弱化,但仍然滿足相關(guān)條件.當(dāng)h/T=4時(shí),P值檢驗(yàn)滿足假設(shè)條件,同樣滿足雙側(cè)檢驗(yàn),船舶航速和下沉量具有高度線性關(guān)系.

      通過相關(guān)性研究可知,船舶速度和下沉量呈現(xiàn)出比較強(qiáng)的線性關(guān)系,在不同h/T值下,一般來說,隨著航速的升高,下沉量會(huì)增加,這一點(diǎn)對于船舶駕駛員來說具有高度指導(dǎo)作用.

      4.2 不同水深吃水比下波形和壓力分析

      后處理顯示的是船舶底部附近的水動(dòng)力勢,通過詳細(xì)的流場信息能夠更加真實(shí)的反應(yīng)出淺水航行過程中的物理現(xiàn)象,見圖8.由圖8的左側(cè)波形圖可知,富余水深越小,船體首部的波面升高越明顯.主要原因是水深越淺,阻塞效應(yīng)越明顯,船體前面的液體會(huì)在船體首部受阻,引起船體首部的自由液面升高,在船舶快速航行過程中可以形成行波阻力,同時(shí),水深淺的船尾部分的自由液面高度也會(huì)較低.由圖8的右側(cè)壓力圖可知,水深越淺,船首尾部分的壓力差越大,這也是由于受限航道的阻塞效應(yīng)造成的,壓力帶來阻塞效應(yīng)對船舶的影響是壓力差的存在,壓力差會(huì)造成船體的下沉和傾斜.

      圖8 不同水深下的波形及船體和岸底部的壓力情況圖

      5 結(jié) 論

      1) 計(jì)算結(jié)果顯示,航速和水深吃水比是影響船體下沉量的重要因素.水深吃水比一定時(shí),隨著航速的增大,船體下沉量逐漸增加;航速恒定時(shí),隨著水深吃水比的減小,船體下沉量逐漸增加,且水深吃水比越小,下沉量的增加越快,幾個(gè)物理量呈現(xiàn)出高度的正相關(guān)關(guān)系.此外,VLOC航行時(shí)水深越淺,船首尾部分的壓力差越大,壓差會(huì)造成船舶的下沉和縱傾,因此,VLOC在淺水區(qū)域航行過程中要注意防止船體下沉.

      2) VLOC在航行過程中,需要非常注意控制船舶的速度和縱傾角,并由此來規(guī)避擱淺及觸礁等事故,船長在港口水域,尤其是進(jìn)出港航行時(shí),應(yīng)根據(jù)事先記錄好的速度、下沉量和縱傾關(guān)系來合理選擇進(jìn)出港航行速度.

      3) 研究結(jié)果根據(jù)與文獻(xiàn)[13]的對比來看,數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可信度高,在進(jìn)行VLOC等超大型船舶下沉縱傾預(yù)報(bào)中,CFD方法具有高度可靠性.

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