高速雙體風電運維船淺水阻力研究

侯毅男，李明敏

（1.32381部隊，北京 100071，2. 廣州海榮實業有限公司，廣州 510250）

1 研究背景

1.1 風電運維船

我國海上風電近年來發展迅猛，以廣東省為例，目前規劃的海上風電場址23個，總裝機容量6 685萬kW，計劃到2020年，海上風電建設投產100萬kW以上。

圖1 廣東省海上風電場規劃布局圖

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

目前的風電運維船多采用高速雙體船型，主要是基于以下幾個原因：

（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/撤離；

（2）有良好的橫向穩定性，可確保頂靠登乘安全作業；

（3）寬闊的甲板面積，便于存放維修工具及物資。

表1是國內部分風電運維船的技術參數。

表1 國內部分風電運維船參數

國內不少學者開展了有關雙體風電運維船船型的相關研究，如周云司雅[2]運用AQWA軟件對雙體風電運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行了數值分析；楊鈴玉等[3]對雙體風電運維船不同片體間距的阻力影響進行了研究。

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產生變化，此時船舶的興波阻力與在無限水深水域中行駛時的船舶對應的興波阻力有明顯差別。尤其當水深與船舶吃水接近的時候，興波阻力將顯著增大，遠遠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律見圖2。

圖2 淺水中水阻力的變化規律圖

風電運維船的航速性能是業主關注的重點，由于目前國內風電場的建設主要集中在沿海區域，為控制風電塔安裝成本，風電塔的安裝水深都在20 m 以內，以廣東省湛江外羅海上風電為例，從碼頭到最遠風電場航線距離約12.3 n mile，整個運維航線水深基本在10 m以內，考慮到目前風電運維船吃水基本在1～2 m左右，在設計時需考慮淺水效應對船舶阻力的影響。外羅風電場航線示意見圖3；航線水深見表2。

圖3 外羅風電場航線示意圖

表2 外羅風電場航線水深表

國內學者關于船舶淺水阻力開展了較深入的研究，張偉[5]介紹了有關淺水阻力的經驗公式的估算方法，提出了經驗公式估算船舶淺水阻力的可行性；孫帥等[6]采用數值模擬方法對標準船模（KCS）的淺水阻力進行了研究，驗證了數值模擬方法預報淺水阻力的準確性。

2 淺水阻力計算

本文以一艘20 m鋁合金高速雙體風電運維船為例，見圖4，型線圖見圖5。采用數值模擬計算方法，研究其在淺水環境的阻力性能，船型主要參數如下：

船長 19.8m

水線長 18.8m

型寬 8.3m

設計吃水 1.6 m

設計航速 18 kn

設計排水量 ～78 t

CB 0.285

CP 0.305

圖4 20 m高速雙體風電運維船

圖5 20 m高速雙體風電運維船型線圖

2.1 數值計算方法

圖6 近壁面處的速度分布

壁面函數方法與低雷諾數模型方法對網格的要求示意圖見圖7 所示，壁面函數的應用大大減少了捕捉邊界層內大梯度流動參數對網格密度的要求，從而與低雷諾數模型相比壁面函數方法通過減少網格數量提高數值模擬的效率。

圖7 近壁處理方法對網格要求示意圖（左：壁面函數；右：低雷諾數模型）

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

2.1.2 數值求解方法

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學特征與物理邊界的復雜幾何形狀導致解析求解困難，本文針對NS 方程組的求解均采用數值方法進行。

本文采用有限體積法對整個流體區域進行離散化，構建離散代數方程組，并通過各網格節點處的離散場變量分布近似代替原微分方程組的解析解。

流體域的網格空間離散方法，是綜合考慮計算對象的幾何與流場特征、統一網格生成腳本與網格生成工作效率等因素，采用切割體網格與棱柱層網格的網格形式進行計算域的離散。

數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）技術以提高收斂性穩定[7]。

2.2 數值分析

本文根據實際水深，設置代表淺水航道的計算域底部為無滑移壁面（相對固定坐標系），航道底部距靜水面距離為航道水深。

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

圖8 模型試驗圖

本文研究首先以及模型試驗結果，對數值計算方法進行修正。

2.2.1 深水阻力

本文按模型試驗工況對該船的深水流場數值模擬預報，并結合模型試驗結果對預報方法進行修正，見圖9。

圖9 設計載況下的深水興波波形圖（18 kn）

修正后的數值預報方法預報誤差控制在5%以內，可滿足本文研究需求，圖10 是修正后的數值預報結果與模型試驗結果對比。

圖10 修正后的數據模擬方法預報精度對比（設計載況狀態）

經分析，導致誤差原因包括：

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

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

進一步提高預報誤差需繼續修正網格精度，目前在設計航速段的預報誤差在4%以內，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值計算方法，對設計載況下航速為18 kn 在3 m、6 m 及10 m 水深的淺水流場數值模擬與阻力預報，見圖11。

圖11 設計載況下的淺水興波波形圖（18 kn）

2.2.3 數值結果分析

淺水流場下的數值計算、阻力與流場數值結果分析如下：

（1）本文數值計算了設計航速（18 kn）下，水深傅氏數（Frh）在0.9～1.7 范圍內阻力數據情況，淺水阻力增長趨勢明顯，見圖12；

（2）數值模擬捕捉到船舶阻力隨Frh 增大阻力先增加后減小的現象；同時在極淺水深（h=3 m）時船興波中橫波系消失，僅余散波；在水深傅氏數～1.1（h=6 m）的設計載況中，計算不穩定，且波形與其它載況不同明顯不同：船前較大范圍均出現波系的“孤獨波”現象；

（3）10 m 水深內均出現了不同程度的阻力增值；同時在相同水深，不同載重狀態下的阻力增值也不同；

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

圖12 不同水深傅氏數的阻力曲線（18 kn）