LNG船靠離泊操縱運動數值模擬分析

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(1.中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設計院,上海 201203)

LNG船靠離泊操縱運動數值模擬分析

鄭坤1，時光志1，張雨新2，周毅1，陸晟2

(1.中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設計院,上海 201203)

基于CFD方法對廣西防城港內小型LNG船自力靠離泊操縱運動進行數值模擬，分析風、浪、流作用下靠離泊過程中船體的運動響應。數值計算結果表明：該型LNG船能夠通過自力實現靠離泊操縱。靠泊運動中，當受到離岸方向風、浪、流作用時，可以在轉艏過程中通過右槳產生推力，減小船體漂離碼頭的距離，當風、浪、流為攏岸方向時，可以將右舵轉至180°，使右槳產生拉力，以防止船體向碼頭移動時速度過大。在離泊時，為了安全考慮，在攏岸方向風、浪、流作用時，船舶在轉艏前需要與岸邊保持較大距離。

靠離泊;操縱運動;數值模擬;CFD

船舶操縱運動的數值模擬方法大多基于上世紀70年代日本船舶操縱運動數學模型研究小組(mathematical modeling group，MMG)開發的分離式模型，該計算模型將螺旋槳推力、舵力、錨鏈力通過水動力系數加入到船舶運動方程中，同時將環境載荷，如風、浪、流對船體作用力，通過一系列系數添加到運動方程中。MMG模型比較簡單實用，因此在船舶操縱運動問題中已有較多的應用[1-3]。但如何比較準確地獲得MMG模型中各個水動力系數一直是限制MMG模型應用的難點。近年來，計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)為操縱性數值模擬提供了另一種更加精細地描述船舶操縱運動的預報工具。CFD直接對船體運動流場進行求解，不需要做過多的簡化，也不需要通過經驗公式或者試驗來確定水動力系數，能夠比較真實地模擬船、槳、舵之間流動的相互干擾過程，因此，在一些復雜的操縱性問題中得到較廣泛的應用，如多自由度回轉[4]、限制水域的靠離泊[5]、波浪中橫甩問題[6]等。

擬對一小型LNG船在廣西防城港漁澫港區內的靠離泊問題進行數值模擬研究，該船為3萬m3LNG船，為國內首艘搭載全回轉電力推進系統的小型LNG船，由于該船頻繁進出防城港，其運營模式將對國內中小型LNG的水上運輸有重要的參考價值[7-8]。考慮到該船操縱性良好的特點，為降低航運成本，對該船在港區內的依靠自力實現靠離泊問題進行分析。船體運動過程基于CFD進行計算，通過對不同環境條件下靠泊和離泊過程進行模擬，分析3萬m3LNG船在防城港內的靠離泊能力，為防城港駕引人員的實際操作提供參考。

1 工作水域概況

圖1 廣西防城港漁澫港區相關布置示意

工作水域為廣西防城港漁澫港區，見圖1。目前，港區已建成泊位40個，其中萬t級以上泊位25個，5萬t級以上泊位15個，最大設計靠泊能力20萬t級，碼頭岸線總長7.745 km，年通過能力3 701萬t。分析選擇的泊位為第5作業區的501號泊位，位于漁澫港區第五作業區的南部，北側為規劃的漁澫港區第五作業區502號泊位，南側為已建成的廣西東灣5 萬t級液體化工碼頭，與中電防城港電廠隔江相望。碼頭按8萬m3LNG船和5萬m3LPG船設計，兼靠3萬m3LNG船。營運貨種為LNG和LPG等液體散貨[9]。

回旋水域布置在碼頭前方，寬度為80 m。回旋水域按8萬m3LNG 船和5萬m3LPG 船設計，由于碼頭前方有一條規劃航道和一條防城港電廠煤碼頭航道，為了減少回旋水域對航道的影響，回旋水域采用橢圓形布置，長軸取為600 m，短軸取為480 m。考慮到進港航道水深現狀，回旋水域底標高按照現有航道底標高取值為-10 m。回旋水域尺度可滿足3萬m3LNG船不乘潮進港，同時滿足5萬m3LPG船乘潮不滿載進港。

2 船型及計算工況

3萬m3LNG船的船型主尺度見表1。船體幾何形狀見圖2，艏部裝有1個艏側推進器，側推孔直徑為2.25 m，艏側推最大推力為196 kN，功率為1 500 kW。為簡化計算，在數值模擬中沒有建立艏側推的螺旋槳模型，而是將側推力直接施加到船體上。艉部為雙吊艙全回轉推進器，螺旋

槳為5葉槳定距槳，直徑為3.7 m，無導流管。舵的最大回轉速度為2.0 r/min。

表1 船型主尺度 m

圖2 船體幾何形狀(鍘視)

根據港區自然條件，確定4個模擬工況，風速均為13.8 m/s，對應蒲氏6級風，具體環境參數見表2。分別計算每種工況滿載靠泊和壓載離泊2種情況。

表2 計算工況

3 數值模擬方法

船體運動和螺旋槳計算采用軟件商業CFD(computational fluid dynamics)軟件STAR-CCM+進行。由于操縱過程中船體運動范圍較大，因此，采用重疊網格技術(over set)處理船體運動。為了減小計算量，計算中將螺旋槳簡化為虛擬盤。虛擬盤法根據給定的螺旋槳敞水數據對螺旋槳盤附近的水流施加體積力，從而產生推力。該方法在船、槳、舵相互影響的研究方面已有較多應用[10-11]，并表現出較高計算效率和令人滿意的計算精度，是研究船、槳相互干擾問題中一種常用的處理方法。此外，由于港區內波浪較小，難以在CFD模擬中精確模擬波浪的演化，因此，波浪力是通過勢流軟件Hydrostar進行計算得到的，然后帶入到CFD求解過程中，在CFD計算過程中根據船體與波浪的角度，插值得到每個時間步船體受到的波浪力。這種處理方法的主要優點是能夠較為合理地簡化計算問題，在基于MMG模型的數值模擬中應用較多。Skejic和MFaltinsen[12]通過研究認為船舶在波浪中的慢漂運動主要是由二階波浪力引起的，一階波浪力對其操縱運動影響并不顯著，因此，在靠離泊計算時只考慮二階波浪力。由于船舶靠離泊過程的主要特點是低速、大漂角，因此計算時船舶運動主要考慮縱向和橫向平移運動以及艏搖3個自由度。

3.1 控制方程

計算中控制方程為Reynolds平均Navier-Stokes方程，即RANS方程，湍流模型采用SSTk-ω兩方程湍流模型，自由面基于VOF(volume of fluid)方法求解。對流項離散采用二階精度的迎風格式。

控制方程包括連續性方程和動量守恒方程，對于不可壓縮流體為

(1)

(2)

式中：i,j為變量在坐標系中第i和j方向的分量；p為壓力，u為速度矢量，ρ為流體密度，f為質量力。

SSTk-ω模型湍動能和湍動耗散率的求解方程為

(3)

(4)

VOF控制方程為

(5)

式中：φ為流體相體積分數。

3.2 計算域及網格劃分

計算域取為長方體，大小為：船前向前延伸1.0Lpp，2側和底部向外延伸1.5Lpp。底部為壁面邊界條件，4周各面為來流和壓力出口，具體設置根據各個工況實際水流方向確定。計算網格類型為非結構6面體網格，采用STAR-CCM+中自帶網格生成器Trimmer生成，計算網格見圖3。

圖3 計算域網格

為更好地計算船體附近的流動特征，在船體表面生成了邊界層網格，同時對船體表面以及船底與水底之間流場進行了網格加密，見圖4。

圖4 船體表面網格

為了更好地捕捉水面興波，對靜水面附近網格在高度方向進行加密。為解決船體大幅度運動帶來的動邊界問題，采用重疊網格進行處理，計算中生成2套網格：船體附近區域和背景網格。船體附近網格隨船體做浮體運動，背景網格僅作平移運動，平移速度等于船體的移動速度。這樣既保證了船體附近的網格質量，同時避免使用過大的計算域。此外，為保證船體旋轉后周圍流場的計算精度，在船體旋轉區域范圍內對網格進行加密。計算網格總數為330萬，其中船體部分網格為185萬，背景區域網格數為145萬。

4 計算結果及分析

4.1 靠泊過程數值模擬

由圖1可見，船舶靠泊操作過程大體程序是先將船駛入回轉區中心附近，然后開始向左舷側做轉艏操作，當轉至船體舷側與碼頭平行時，再通過動力定位能力逐漸平移至碼頭，實現靠泊。數值模擬主要關注回轉區調頭過程。計算初始時刻假定船體已駛入回轉區，航速為0，左舵已轉至90°位置，左側螺旋槳開始工作，轉速為90 r/min。右槳和右舵的操作需要根據港內風、浪、流的方向和大小而定，在實際靠泊過程中駕駛員依靠經驗結合港區環境和船體運動速度進行實時調整。這種交互式的操縱策略難以數值模擬，因此采用一種簡化的操縱策略。考慮到工況1和工況3中，風、浪、流為離岸方向，在回轉過程中需要右槳提供推力，因此右舵為0°，右槳在船頭指向碼頭方向時開始工作，將船體推向碼頭，具體工作參數見表3。

表3 靠泊過程中右側螺旋槳工作規律

相反，在工況2和工況4中，風、浪、流為攏岸方向，這時需要右槳提供拉力幫助船體定位，因此右舵處于180°，螺旋槳產生向后的拉力防止船體向碼頭方向產生過大的運動速度。需要說明的是，這種操縱控制策略不是最優的，但通過這種簡單的操縱控制得到的船體靠泊運動響應可以為實際駕引人員提供參考。

船體的運動軌跡如圖5所示。

圖5 靠泊時船體運動軌跡(時間間隔為30 s，虛線為示意軌跡)

由圖5可見，船舶能夠在回轉區通過自力完成回轉運動，船體移動距離較小。風、浪、流對船體艏搖角速度影響不大，對船體的位移有一定的影響。在工況1和工況2中，通過右槳的配合，船體轉艏后所處位置較為合理。在工況4中，由于右槳工作時間較短，船體轉艏后向回轉區西側偏移一定距離，給后面的動力定位平移至碼頭增加了難度，因此實際操作中，應當較早啟動右槳。

4.2 離泊過程數值模擬

由于碼頭前面水域較小，航道中心線離碼頭橫向距離較大，因此船舶離港時需要先通過艏側推和尾推將船體平移至離碼頭一段距離，然后開始轉艏操作。這里主要模擬轉艏過程中船體的運動情況。由于港口航道與碼頭的角度約為72°，所需回轉角度較靠泊時小，因此，在計算離泊時沒有開啟右槳，僅通過左槳和艏側推實現離泊操作。計算得到的船體運動軌跡見圖6。

圖6 離泊時船體運動軌跡(時間間隔為15 s，虛線為示意軌跡)

由圖6中可見，水流對船體操縱運動影響較大，不同工況下船體偏移距離有較大區別，在工況1和工況3中水流向離岸方向，船體不需要離泊較遠即可進行轉艏操作，但對于攏岸風、浪、流作用時，如工況4，風浪流向船施加碼頭方向力，因此船體需要平行離開碼頭較遠距離再開始轉艏操作。整體上看，船舶能夠依靠自力安全離泊。

5 結論

從數值計算結果看，在右槳和右舵的輔助配合下，船舶能夠比較好地完成靠離泊運動。相對來講，靠泊過程所需時間較長，受環境影響較大。為更好地控制船體與碼頭之間的橫向距離，當風、浪、流為離岸方向時，可以通過右槳產生推力，減小船體漂離碼頭的距離；當風、浪、流為攏岸方向時，可以將右舵轉至180°，使右槳產生拉力，以防止船體向碼頭移動時速度過大。在離泊操縱過程中，船體轉艏前需要與碼頭保持一定的安全距離，在攏岸方向風、浪、流作用時，所需的安全距離較大。

[1] 楊鹽生.船舶靠離泊操縱數學模型的研究[J].大連海事大學學報,1996,22(4):11-15.

[2] 朱冬健,馬寧,顧解忡,等.波浪中船舶操縱性數值預報及自航模驗證[J].中國艦船,2015,10(1):76-82.

[3] 史宏達，范天會，韓桂萍.東營港擴建工程碼頭船舶靠離泊數值模擬研究[J].中國海洋大學學報,2007,37(5):841-846.

[4] WANG J H, ZhAO W W, WAN D C. Free maneuvering simulation of ONR tumblehome using overset grid method in naoe-FOAM-SJTU solver[C]. 31stSymposium on Naval Hydrodynamics, California, 2016:11-16.

[5] WANG H M, ZOU Z J, TIAN X M. Computation of theviscous hydrodynamicforces on a KVLCC2 model moving obliquely in shallow water[J]. Journal of shanghai jiaotong university (science), 2009,14(2):241-244.

[6] CARRICA P M, SADAT-HISSEINI H, STERM F. CFD analysis of broaching for a model surface combatant with explicit simulation of moving rudders and rotating propellers[J]. Computers & fluids, 2012,53:117-132.

[7] 時光志,周志峰.某液化天然氣運輸船推進器選型研究[J].船海工程,2014，43(5):132-137.

[8] 何金平.中小型LNG運輸船推進系統選型分析[J].船海工程,2014，43(5):142-144.

[9] 趙斌.大型LNG船舶安全進港靠泊防城港東灣液體化工碼頭的思考[J].港口經濟,2015(7):59-61.

[10] 吳召華,陳作鋼,代燚.基于體積力法的船體自航性能數值預報[J].上海交通大學學報,2013,47(6):943-949.

[11] SIMONSEN C D, STERM F. RANS maneuvering simulation of essoosaka with rudder and a body-force propeller[J]. Journal of ship research, 2005,49(2):98-120.

[12] SKEJJC R, FALTINSEN O M. A unified seakeeping and maneuvering analysis of a monohull in Regular IncidentWaves[C]. Proc. of the 7th International Conference on Hyd., Ischia, Italy, 2006:97-104.

Numerical Investigation of Maneuvering Behavior of a LNG Carrier during Berthing and Departing

ZHENGKun1,SHIGuang-zhi1,ZHANGYu-xin2,ZHOUYi1,LUSheng2

(1.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China;2.Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute, Shanghai 201203, China)

Numerical simulations of berthing and departure of a small LNG ship were carried out based on CFD method. The maneuvering behaviors of ship interacting with wind, wave and tide, during berthing and departing were analyzed. Numerical results showed that the computed ship is capable of berthing and departing by itself. When direction of wind, wave and tide is offshore, right side propeller should work, imposing thrust on the ship. The right side propeller needs pull the ship to prevent a large velocity of ship when the wind, wave and tide come alongside shore. During departing, ship should move offshore a large distance before turning when the wind, wave and tide direct shore.

berthing and departing; maneuvering; numerical simulation; CFD

U661.33

A

1671-7953(2017)05-0048-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.013

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

鄭坤(1987—)，男，工學碩士，助理工程師

研究方向：船舶與海洋結構物設計制造