基于CFD的客滾船上層建筑風阻計算及優化設計

蔣永旭,付翯翯,俞劍

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司,上海 200041)

風載荷是船舶航行中環境載荷的一個組成部分,船舶的風載荷對航行操縱性、阻力推進等均有影響,尤其對于上層建筑面積較大的郵輪和客船,較大的受風面積使得風阻在船舶總阻力占比增加,對于操縱性要求極高的客船,風阻是靠港的低航速橫移操縱中主要抵抗的外力之一。

關于船舶受到的風載荷影響,國內外學者主要針對主流運輸船的上層建筑進行了相關的研究[1-12],對客船的研究相對較少。為此,考慮對某客流船計算分析不同風向角下的風阻。

1 數學模型和數值方法

1.1 控制方程

假定繞船舶的風場為非定常、不可壓縮的黏性流體流動。對黏性流場的模擬,采用RANS(reynolds-averaged navier-stokes)方程進行求解。

為了封閉控制方程,采用k-ωSST湍流模型計算。

1.2 計算域及邊界條件

采用右手直角坐標系o-xyz,原點定位在船中剖面、中縱剖面與水線面的交點,x軸向船尾到船首,z軸垂直向上,風向為從船首到船尾,逆時針旋轉方向為正。計算域為長方體,計算域尺寸分別是11倍船長,寬為10倍船長,高為2倍船長,船體位于計算域底部中心。為滿足風向的變化,分別設置2個速度入口和2個壓力出口,當風向從船首變換后船尾時,入口和出口設置互換,上璧面和下璧面均設置為滑移璧面,船體設表面置為無滑移璧面,見圖1。

圖1 計算域與邊界條件設置

1.3 計算網格

計算采用采用切割體網格。為呈現良好的上層建筑構型,未對上層建筑結構進行簡化處理,對上層建筑的圍欄、煙囪、舷墻和救生艇部分進行局部加密,邊界層網格采用全璧面處理方式,y+值在30以內,最終船體表面網格對上層建筑形狀捕捉良好。計算域網格總數為970萬。

1.4 離散格式和數值求解方法

采用StarCCM+進行數值計算,采用有限體積法對控制方程進行離散。控制方程的對流項和粘性想采用二階離散格式,速度和壓力的耦合迭代采用SIMPLE算法。

2 數值結果及分析

以某客滾船作為研究對象進行風載荷的數值計算。該船的主要參數見表1。

表1 客滾船主尺度

關于船舶風載荷,主要關注船舶在風場中收到的縱向力Fx、橫向力Fy和首搖力矩Mz,將其轉化為無因次化風力和風力矩系數如下。

(1)

式中:ρ為空氣密度;V為相對風速;Loa為船舶總長;AF為船體在水線以上的正投影面積;AL為船體在水線以上的側投影面積。

采用以上計算方法,對該船進行數值模擬,計算結果顯示,隨著風向角的增加,轉首力矩呈現余弦曲線變化,縱向力矩趨勢為逐漸變大,但在45°～75°時小范圍增加;橫向力矩呈現拋物線形式,但在45°～75°附近達到極值。客滾船在45°～75°風向角范圍內橫向力和縱向力系數均突增,對船舶操縱性影響較大。這與船舶上層建筑的形狀相關,不同于集裝箱之間存在間隙可保證氣流通過,客滾船上層建筑為連續的整體,因此氣流只能從船舶首尾兩端或者船舶頂端繞過船體,并在背風側形成渦流場。在45°～75°風向角,橫向和縱向的投影面積均較大,對氣流的形成影響較大。該船在55°風向角時的壓力分布和流線見圖2、3,可以看到在首部形成了大量渦流,并產生了一個明顯的低壓區。

圖2 風向角55°船舶表面壓力分布

圖3 風向角55°船體表面流線分布

為了驗證數值計算的準確性,采用Isherwood和Blendermann回歸公式對風載荷系數進行驗證對比,結果見圖4。

圖4 3種方法的風載荷系數對比

結果表明經驗公式方法計算結果均小于數值計算結果,其中Blendermann方法與數值計算的船舶受風的橫向力以及轉首力矩的匹配度較高,但縱向力趨勢差別較大。另外橫向力曲線在風向角在40°～60°及110°～140°時趨勢有差異,在風向角為40°～60°時,橫向力達到極限值,在110°～140°時,橫向力在數值計算中趨勢下降,不同于經驗公式的極值趨勢。而Isherwood方法與數值計算結果差距較大,在縱向力曲線和橫向力曲線上的趨勢較為一致。

由于Isherwood回歸公式的主要船型為散雜貨、油船等運輸船,對于郵輪、客船等上層建筑豐滿的船型缺乏可靠性。而Blenderman回歸公式有針對客渡船分類,在本項目中對橫向力和首搖力矩預報相似,但對縱向力預報相差較遠。綜合來看,基于回歸公式的計算與數值計算趨勢一致,在對縱向力的模擬上效果較差,這與船舶上層建筑的形狀相關,經驗公式不能較好地回歸上層建筑的形狀,在預報結果上均偏小,對于后續計算操縱性抵抗極限風值的預報不利。

3 優化設計方案

該船在45°～75°風向角范圍內橫向力和縱向力系數均突增,對船舶操縱性影響較大,對低速靠港時的操縱性存在較大影響,使得在此風速范圍內無法滿足規格書要求的抵抗風速。因此考慮在最危險的工況,即風向角為55°時,對上層建筑進行優化設計,見圖5。

圖5 優化方案示意

由于優化設計與詳細設計同步進行,已經無法對結構和造型進行大的調整,因此考慮采用增加擋流板和倒圓角,具體如下。

1)背風面設置5條寬為1 000 mm的擋流板。

2)背風面首部設置3條寬為1 000 mm的擋流板。

3)背風面首部設置3條寬為500 mm的擋流板。

4)背風面設置1條寬為750 mm貫穿船體的擋流板。

5)煙囪倒圓角。

6)船首部設置擋流板。

對以上6種方案進行數值計算,結果見表2。

表2 6種方案減阻效果計算結果對比

可以看到設置擋流板可以有效減少船舶的橫向風阻和首搖風阻,有效改善背風面的渦流場;并且,隨著擋流板寬度的增加,改善風阻的效果越好。對于優化方案1 (背風面設置5條寬為1 000 mm的擋流板)可增加抵抗極限風速0.5 m/s,橫向力和首搖力矩分別下降了4.99%和10.58%,船舶首部的低壓明顯改善。而對煙囪進行圓角處理對風載荷的改善較小,在船舶首部設立擋流板則對船舶的風阻幾乎沒有優化效果。

4 結論

基于CFD對某客滾船進行風阻特性的計算分析,計算結果與風載荷經驗公式計算進行對比。

表明,經驗公式方法計算結果均小于數值計算結果,其中Blendermann方法與數值計算的船舶受風的橫向力以及轉首力矩的匹配度較高,而Isherwood方法則是船舶縱向力趨勢較為一致。考慮到經驗公式不能較好地模擬船舶上層建筑的形狀,利用經驗公式計算客滾船上層建筑的風阻結果偏小,對于后續計算操縱性抵抗極限風值的預報不利。對某客滾船在最危險的風向角工況進行了上層建筑的風阻優化分析,通過在船舶的背風面增加擋流板和倒圓角的方式,設計了6種優化方案,分別進行了數值計算,結果表明設置擋流板可以有效改善背風面的渦流場,隨著擋流板寬度的增加,改善風阻的效果越好。