深水沉船打撈多體系統(tǒng)流載荷計算分析

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)存在著復雜的水動力特性，尤其在深水中應用尚需進一步研究。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值分析，給出沉船不同浸沒水深不同方向的流力系數，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。相關研究結果對雙駁抬吊沉船整體打撈方案設計中的船舶水動力及運動特性分析具有重要的參考價值。

關鍵詞：沉船打撈；多體系統(tǒng)；CFD；流載荷；遮蔽效應

中圖分類號：U676.6+2

文獻標識碼：A

0 引 言

隨著世界海洋運輸的發(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，標志著我國已具備60 m以內淺海區(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方面還有待提高[2]。使用雙駁抬吊技術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)，具有復雜的水動力現象， 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） 計算流體力學數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據的船舶流載荷計算。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果進行對比分析，驗證了CFD數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值模擬的結論。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，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的影響。Hong 等[8]運用 STAR-CCM+數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值計算，并通過與模型試驗結果對比，得出數值模擬誤差小于 5.34%。

相對于淺水海域，應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計中的船舶水動力及運動響應分析提供參考依據。

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、準確地解決船舶與海洋工程領域的船舶操縱性、耐波性、阻力與流動等問題。該軟件運作流程主要有構造初始幾何模型、劃分全六面體非結構網格、粘性流場求解器以及后處理流場分析，主要軟件構成如圖1所示。

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

Fine/Marine內置的ISIS-CFD求解器提供的主要功能包括導入網格模型、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構物的快速性、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，能夠直觀地了解內外部流場，可以快速地提供流場細節(jié)圖片和顯示流場參數，方便實現定性、定量參數的分析。

2 數值計算模型及輸入

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。根據國家海洋環(huán)境預報中心數據[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，通過32道同步提升索具連接至沉船船體結構，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個大型結構物處于水中。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及重量信息見表1、表2。

2.2? 坐標系定義

計算中使用右手坐標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種情況的坐標系定義如圖4、圖5所示，坐標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，簡化準則如下：

（1）不改變船舶總體結構特征；

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

（3）沉船和抬吊駁的基礎參數見表1和表2。

為提高沉船與抬吊駁變流向角時計算域內網格生成效率，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格處理；

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

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

（3）經過網格敏感性分析后，最終確定沉船數值計算網格總數為225萬，多體系統(tǒng)數值計算網格總數為637萬。

沉船和多體打撈系統(tǒng)的計算域和網格劃分如圖8、圖9所示。

2.4?; 計算工況設定

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? 計算條件設置

基于粘性流體理論，采用滑移網格技術（為提高網格生成效率），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值計算。具體參數設置如下：

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

（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雜流動的k-ω （SST-Menter）湍流模型；固壁面采用標準壁面函數，上邊界和下邊界采用指定零壓力；入口邊界、出口邊界給定設計流速，兩側邊界為遠場；流體參數設定為15 ℃海水，密度為1 026 kg/m3，動力粘性系數取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 計算結果及分析

3.1? 流載荷方向及流力系數定義

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)中各單體結構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的無因次的流力系數：

縱向流力系數

橫向流力系數

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°的結果為0°～180°計算結果的鏡像。圖10給出了不同水深狀態(tài)流載荷和流力無因次系數分布圖，從圖中可以看出流速0.25 m/s與0.55 m/s對應的沉船的阻力無因次系數基本一致，誤差小于8%，縱橫向流力系數相差較大；出現這種現象的主要原因是，縱向力為主流向，所研究的流速對應雷諾數超過臨界雷諾數，而橫向力主要是流體受到結構物阻塞分流，在y方向流速較低，未超越臨界雷諾數所致。該現象從縱向流力系數遠大于橫向流力系數得到應證。

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°的結果為0°～180°計算結果的鏡像。圖11給出了多體系統(tǒng)中沉船、抬吊駁1和抬吊駁2對應流載荷和流力系數分布圖，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雜，抬吊駁對沉船的遮蔽效應非常明顯。

對于抬吊駁而言，0°～180°旋轉過程中，抬吊駁1處于迎流面對沉船和抬吊駁2具有遮蔽效應，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關于流向對稱狀態(tài)外，兩者所受流載荷相當。

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，尤其是橫流附近情況下，抬吊駁1對抬吊駁2的遮蔽效應明顯，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；偏橫流情況下，由于遮蔽效應更明顯，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，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部流速存在激變現象；受到多體之間的遮蔽效應，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)內部存在明顯渦流現象。

4 結 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，并給出各流向下的流場分布，通過分析發(fā)現不同水深和流速下的流力系數相差不大。

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，給出各流向下的流場分布，通過分析發(fā)現船體狹窄間隙存在流速激變現象，多體系統(tǒng)的遮蔽效應明顯。

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

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