基于CFD的某內河游船風載荷系數計算

陳前昆,尹奇志,范愛龍,嚴新平,鄭 杰,王 瑞

(1.武漢理工大學 a.能源與動力工程學院可靠性工程研究所； b.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室；c.能源與動力工程學院，武漢 430063； 2.重慶市巴南區港航管理處，重慶 401320)

基于CFD的某內河游船風載荷系數計算

陳前昆1a,b,尹奇志1a,b,范愛龍1a,b,嚴新平1a,b,鄭 杰2,王 瑞1c

(1.武漢理工大學 a.能源與動力工程學院可靠性工程研究所； b.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室；c.能源與動力工程學院，武漢 430063； 2.重慶市巴南區港航管理處，重慶 401320)

為獲得船舶風載荷系數的準確計算方法及其在不同風向角下的分布規律，以某內河船舶為研究對象，對船舶水上結構表面風場風壓進行數值模擬，得到不同風向角下的風載荷系數，將計算結果與Fujiwara和Blendermann方法對比,結果表明，k-εRealizable湍流模型在計算風載荷系數時準確度較高；隨著風向角變化，船舶風載荷系數變化較大；所采用的數值計算方法及網格形式可較好預報游輪風阻力。

內河游船；風載荷系數；數值模擬；流場分析

隨著國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)提出的新船能效設計指數(energy efficiency design index，EEDI)及營運能效指數(energy efficiency operational index，EEOI)等通函的逐步實施[1]，船舶節能減排成為船東、船廠以及船舶設計工作者關注的熱點[2]。船舶在航行中所受阻力根據介質的不同可以分為風阻力和水阻力。船舶風阻力在總阻力中比重雖小，但是其對船舶推進性能、船舶操縱性能也有較大的影響。同時，隨著綠色船型設計研究的逐步深入，為更多挖掘優化空間，提高能效以適應EEDI的需求，船舶風阻優化逐漸得到船東和航運企業的關注，風阻研究對船舶航行安全和減阻降耗都至關重要[3-7]。

當前，理論分析法、風洞試驗和CFD方法是研究船舶風阻的主要方法。理論分析的結果一般帶有普遍性，需要抽象和簡化計算對象才能得到理論解。風洞試驗雖然能得到真實、可靠的試驗結果，但其操作周期性長、費用高、操作復雜，而且還不能直觀地觀察流場。相比之下，CFD數值模擬方法則能成功彌補上述兩種方法的不足，費用少，重復性好，而且可以模擬復雜結構表面的風壓分布及其周圍的空間流場情況[8-10]。

利用CFD方法進行風載荷計算方面，在研究對象上，從最初的一些小型帆船，到后來逐步向大型油船、集裝箱船和LNG船等船型發展；在研究內容上，學者在利用數值模擬方法開展計算時，對不同船型的計算策略，也都進行了較為全面和深入的探索[11-13]。然而，CFD方法在對游輪這一船型上的研究極少，不同船型之間CFD方法的計算策略可能會有較大差異，且游船載客量大，其安全性備受矚目。本文以具有代表性的某內河游船為研究對象，基于CFD方法對對象船舶進行數值模擬研究，探索不同網格劃分形式，不同湍流模型對數值模擬計算結果的影響，對比經驗公式與數值模擬方法的計算結果，并分析船舶數值流場信息，為游輪風阻力及力矩的精確計算提供參考。

1 船舶風載荷系數與經驗公式

1.1 船舶風載荷和風載荷系數

風載荷對于船舶的影響，主要體現在增加其在航行過程中的風阻力上，在對船舶風載荷的研究中，主要關注船舶水線以上結構所受到的縱向力、橫向力和艏搖力矩，見圖1。

圖1 船舶風載荷示意

為使風阻的計算結果便于在不同船舶尺寸和不同風速風向下進行對比，計算得到的風阻力通常以經過處理的無量綱系數表示，該系數直接決定了船舶受風阻力大小，如下式所示[14]。

(1)

(2)

(3)

式中:CX、CY、CN——縱向、橫向風載荷系數、艏搖力矩系數；

ρ——空氣密度;

LOA——船長;

AL、AT——船舶正縱、正橫時的受風面積。

1.2 經驗公式

目前計算風載荷系數的經驗公式主要有：Isherwood方法、Blendermann方法、OCIMF公式、Fujiwara方法、范·伯利柯姆公式等，從中選擇普遍認為具有較高精度的Fujiwara和Blendermann方法作為對數值計算結果的參照[15-18]。

2 數值模型

2.1 船型參數及計算模型

選取內河一艘游船為算例進行風載荷系數研究，其主尺度列于表1，典型工況選為滿載。

表1 對象船舶主尺寸 m

利用FLUENT前處理軟件GAMBIT進行建模?？紤]到結構的復雜性，幾何建模時對受風阻影響較小的構件進行簡化，簡化后的模型見圖2。

圖2 對象船舶幾何模型

2.2 計算域設置及網格劃分

根據國際拖曳水池會議(international towing tank conference，ITTC)臨時規程，在研究網格數量對計算結果的影響時，至少要采用密度不同的三套網格。本算例建立三套網格，設置形式見表2。

表2 三套網格的基本情況

為方便計算不同風向角下的風載荷系數，在對模型進行流域構造時，將計算域分成內域和外域，船舶模型置于內域中，將內域設計成圓柱體形，能圍繞其軸心做任意角度旋轉，見圖3。

圖3 流域及網格設置示意

在網格劃分時，采用混合網格以提高計算精度：內域模型結構復雜，采用非結構網格；外域結構簡單，采用結構網格。

2.3 湍流模型及邊界條件

目前湍流數值模擬方法分為直接數值模擬(DNS)、雷諾平均N-S方程(RANS)和大渦模擬(LES)三種。從結構工程實踐的角度看，DNS與LES方法計算量巨大，限于計算機條件的約束，不適用于工程應用，現有數值模擬一般采用基于時間平均的雷諾平均方(RANS)法[19]。 RANS 方法中湍流模型的選取是數值模擬的核心問題，然而湍流模型或多或少都帶有一定的經驗成分，因此在實際計算過程中，需要進一步探討湍流模型的選取對計算結果的影響。

結合實踐經驗，剩余設置項為：選擇壓力基求解器和SIMPLEC算法進行速度壓力耦合，對流項采用精度較高的二階迎風離散格式，計算域入口為速度入口，空氣出口為壓力出口，船舶結構表面為壁面邊界條件，流域其他邊界采用對稱邊界。

3 數值計算影響因素分析

以船舶正迎風工況為例，以經驗公式計算結果為參照，對比不同網格劃分形式和不同湍流模型對數值計算結果的影響。

3.1 網格劃分對計算結果的影響

按照控制變量的原則，在計算過程中暫時選定湍流k-εrealizable模型。分別在相對風速為10和15 m/s下，對三套網格分別進行計算，見表3。

表3 三種網格形式數值計算結果對比

由表3可以看出，網格1的劃分比較粗糙，且流域偏小，導致計算結果偏差較大，而網格2和3計算結果和經驗公式比較接近，在相對風速發生變化時，風阻力系數基本保持穩定。

3.2 湍流模型對計算結果的影響

基于RANS方法的湍流模型包括：①Spalart-Allmaras 模型；②k-ω模型，包括k-ωRealizable、k-ωStandard和k-ωRNG；③k-ω模型，包括k-ωRealizable和SSTk-ω；④雷諾應力模型(RSM)。

以網格2為算例，在相對風速為10 m/s時，計算結果見表4。

表4 三種湍流模型計算結果對比

由以上對基于RANS的7種湍流模型進行計算對比后可以看出，k-εRealizable模型與k-εStandard模型的計算結果與經驗值最為接近，且兩種模型的收斂時間較其余幾種收斂時間短，效果最好；而k-ε模型中，RNG模型在計算阻力值時出現振蕩，Realizable和Standard模型的計算結果相差很小，但前者收斂時間短，收斂性更好，更具參考價值。根據上述分析與對比，為縮短計算時間，提高數值模擬的準確度，網格劃分選擇第2種設置形式，湍流模型選擇k-εRealizable模型。

4 不同風向角下計算結果對比及分析

4.1 CFD計算流場分布

對船模在0°～180°，間隔角為10°的不同風向角下進行數值計算，從中選取θ=0°、60°、90°和120°共4個風向角下的計算結果，其壓力云圖和流場分布見圖4～7。當船舶行駛方向與相對風向相反，即θ=0°時，船舶流場流線變化均勻且分布較為對稱，見圖4。

圖4 0°風向角下的流線和壓力分布

當船舶行駛方向與相對風向的夾角θ=60°和120°時，船體迎風側和背風側的流場分布不再對稱。迎風側的流線密集，壓力大；背風側流線稀疏，壓力小。在船體艉部和艏部裝有尖角部位的背風側出現旋渦，并與其他的氣流相互纏繞，見圖5和圖6。

圖5 60°風向角下的流線和壓力分布

圖6 120°風向角下的流線和壓力分布

當船行駛方向與相對風向垂直，即θ=90°時，背風側出現流向封閉環繞且尺寸較大的旋渦，見圖7。

圖7 90°風向角下的流線和壓力分布

4.2 風載荷系數計算結果對比

將經驗公式和CFD計算得到的CX、CY、CN進行對比分析，如圖所示，CX隨風向角的增大整體變化趨勢比較凌亂，這與對象船舶艏艉結構不對稱有關；CY隨風向角度變化平緩，在60°和120°附近達到最大值；艏搖力矩系數CN同樣變化平緩，在40°和140°附近絕對值取得最大值。

圖8 縱向風載荷系數隨風向角度的變化

圖9 橫向風載荷系數隨風向角度的變化

圖10 艏搖力矩系數隨風向角度的變化

對以上計算結果，利用歐氏距離量化經驗公式與CFD計算結果間的相似程度，歐氏距離值越小表示吻合度越高。計算結果見表5。

表5 經驗公式與CFD計算結果的歐氏距離

由表5可見，在計算縱向風載荷系數時，Fujiwara公式與CFD相似度最高；而在計算橫向風載荷系數與艏搖力矩系數時，Blendermann方法與CFD結果相似度最高?？傮w來看，3種計算方法具有很好的吻合度。

5 結論

1)對不同湍流模型進行船舶風載荷系數計算，對比分析表明，k-εRealizable模型的計算結果與經驗值最接近。因此在對內河游輪風阻計算中推薦采用k-εRealizable湍流模型。

2)船體上層建筑的風載荷系數隨風向角變化較大，由CFD方法獲得的船舶在不同風向角下的流場分布可知，風向角度及上層建筑的鈍體程度對船舶背風側的風場分布影響較大。

3)CFD計算方法與Blendermann方法和Fujiwara方法吻合良好，計算精度能滿足工程實際應用要求。采用的 CFD 計算策略及網格形式可較好預報游輪風阻力。

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Research on Wind Load Coefficients of an Inland Cruise Ship Based on CFD

CHEN Qian-kun1a,b, YIN Qi-zhi1a,b, FAN Ai-long1a,b, YAN Xin-ping1a,b, ZHENG Jie2, WANG Rui1c

(1a. Reliability Engineering Institute, School of Energy and Power Engineering;b. Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology (Ministry of Communications);c. School of Energy and Power Engineering; Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Chongqing Harbor and Waterway Management Bureau, Chongqing 401320, China)

In order to obtain the accurate calculation methods of wind load coefficient and its distribution under different wind direction angle, an inland cruise ship is chosen as a research object whose wind field pressure distribution and wind load coefficients are simulated by means of computational fluid dynamics, and the numerical results are compared with those of Fujiware and Blendermann method. The results show that the model ofκ-εRealizable has a high accuracy; wind load coefficients vary greatly with the coming wind angles; and the method of numerical computation adopted in this paper can accurately calculate the wind load of the inland cruise ship.

Inland ship; wind load coefficients; numerical simulation; flow field analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.005

2015-06-30

國家自然科學基金(51279149)；高等學校博士學科點專項科研基金優先發展領域課題(20120143130002)；武漢理工在大學自主創新研究基金項目(2015ND-B1-08)

陳前昆(1989-)，男，碩士生

U633.2

A

1671-7953(2015)06-0018-05

修回日期：2015-07-10

研究方向:船舶風阻

E-mail: qkchen_whut@163.com