碎冰海域航標維護船船型設計及阻力性能研究

戴 可，謝云平，高春鋒，王成剛，恒乙鑫

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

中小型航標船在我國沿海地區使用較多，但北部航道很多海域在冬季會有冰層[1]，在破冰船行駛過后，海面會漂浮著大量碎冰，所以常規船型在此期間航行與航標維護存在一定的困難[2]。為此，本文立足維護功能及使用要求，通過推進操縱裝置的選擇，并設計與之匹配的船尾型線及對阻力影響較大的船首幾何形狀，采用數值仿真技術，尋求具有較好靜水阻力和碎冰阻力的船型方案。

1 船型方案設計

針對碎冰海域航標巡檢與維護的特點，要求維護船的快速性能要好，且阻力性能也要好；要求其操縱性能良好，以提高航行過程中避讓較大浮冰的能力，尤其是靠標時的主動控制能力，確保維護時人與標的安全。

航標布設船有良好的耐波性，其在船首甲板區域的夾持裝置可與選擇的操縱裝置相配合，讓船在良好的操縱性下盡可能靠近航標，再用加持裝置讓標與船保持一定的動態平衡，降低工作人員“跳標”時的危險和工作時的眩暈感，從而加快維修速度。但該船型在北海地區航行效果并不理想，故不改變此船的主要要素并采用全回轉舵槳裝置來重新設計船型。

1.1 母型船簡介

本文采用的母型船主尺度如表1 所示。此外，母型船采用常規雙槳雙舵推進操縱裝置，船體型線如圖1所示。

圖1 母型船型線圖Fig.1 Line chart of mother ship

表1 母型船主要要素Tab.1 Main elements of mother ship

表2 引航交通船的主要參數Tab.2 The main parameters of the pilot transport ship

1.2 航標維護船推進操縱裝置選擇

維護船的駕駛好壞與其選擇的推進操縱裝置息息相關。由于母型船選用常規舵槳，考慮到本船需在碎冰區安全航行，且要精準靠標，初步選擇了主機功率為350 kW 的全回轉舵槳。為更好凸顯兩者回轉性能的差別，在數據模擬過程中使用NAPA 軟件的操縱模塊，設定為3 kn、舵角為30°為其初始運動狀態。由圖2可知，全回轉舵槳的定常回轉性能更好。

圖2 回轉運動數值模擬圖Fig.2 Rotational motion test diagram

1.3 航標維護船船型方案設計

根據維護船在碎冰海域行駛需有良好的性能，本文在保持船型和主要要素、排水體積和浮心縱向位置不變的前提下，結合全回轉舵槳的匹配要求和對碎冰阻力有利的首型加以考慮。

方案1 母型船與尾舵槳布置配合形成的新船型。由上文的主機功率，確定其要在距船尾1.5 m 處水平安裝并旋轉，所以圖3 中尾端部的縱剖型線較為平緩。船首則與母型船一樣，整船型線如圖4 所示。

圖3 船尾端型線Fig.3 End line of stern

圖4 方案1 型線Fig.4 Line diagram of scheme one

方案2 在方案1 的基礎上僅對船首進行較小調整，即改為球根型。此船首很特殊——線型在設計水線以下很瘦長，使其靜水、興波阻力性能在突發情況下仍舊很好[3–4]。參考文獻[5]，球根長度取設計水線長的2%，即0.95 m，如圖5 所示。

圖5 球根型首船型線Fig.5 Spherical bow line

考慮到維護船在碎冰海域航行時減少船中碎冰的堆積，方案3 是在方案1 的基礎上僅將船首改為了寬“V”型，如圖6 所示。

圖6 寬V 型首船型線Fig.6 Wide V-shaped bow line

2 靜水阻力數值仿真研究

2.1 仿真方法

2.1.1 驗證船型

由于本文的研究對象是單體船，其首部為V 型，中部為圓舭型，尾部為較長尾懸線型，所以驗證船型選取一艘與其相似的引航交通船。

圖7 為NAPA 軟件用已有的引航交通船的圖紙建出的模型，后將其導入STAR-CCM+軟件，計算其服務航速下的靜水阻力，并利用該船在拖曳水池船模試驗資料來驗證仿真方法的有效性。

圖7 引航交通船模型Fig.7 Pilot traffic vessel model

2.1.2 流體控制方程與湍流模型

不可壓流體動量守恒方程：

式中：gi為質量力； ρ 為流體密度；p為壓力；Ui為三維坐標系中xi方向上的速度分量[6]。

連續性方程：

標準k-ε 模型是本文采用的湍流模型，k和 ε的輸運方程為：

式 中：C1ε，C2ε，Cμ為經驗 常數；Rε為湍流常數。

2.1.3 計算域和網格劃分

本文采用長方形的流體域。為充分捕捉流場域內尾流的狀態和自由液面的具體情況，同時避免因邊界條件的限制造成波浪階段回流的現象，所以在流場域后端向后延長至5L（L為船長）處。為充分模擬真實水深，流場域的底部設置在距離船底基線下2L。為保證計算效果，流場域的頂部距離船體基線位置1.5L。為了避免流體域壁面對計算結果造成影響，從而讓船處于距兩邊各間距2L。圖8 為速度進出口、壓力出口、對稱平面的分布示意圖。

圖8 流場域示意圖Fig.8 Flow field diagram

船體的網格選用厚度為200 mm 的棱柱層，共6 層。在計算靜水阻力時，因為船體近壁面第1 層網格數的厚度直接影響整體的計算精度，所以式（5）中的y+值 需在30～300。式中的 ?y為第1 層網格到壁面的距離、 ν為動力粘性系數； τw為壁面切應力[7]；計算可得y+值為39。全船的網格數量為180 萬，如圖9 所示。將時間步長設為0.01 s，其內部迭代10 次。

2.1.4 數值模擬結果驗證

本文預報引航交通船實船阻力的方法為Froude法，將實船模型縮小10 倍后導入軟件STAR-CCM，計算得到船模[8]的靜水阻力Rtm，最后用式（6）換算出實船的靜水阻力Rts。表3 為不同航速下仿真阻力值與試驗值，以及兩者的誤差，可看出誤差值為3 %～6.4%，證明靜水阻力數值仿真方法較為有效。

表3 各航速下仿真阻力值與試驗值Tab.3 Simulation resistance value and test value at different speeds

式中：海水密度ρs=1.025 t/m3；淡水密度ρm=1.000 t/m3；Rfm和Rf s分別代表船模和實船的摩擦阻力。

2.2 航標維護船型數值仿真

2.2.1 系列模型

為選出靜水阻力最小的船型方案，將3 種船型（見圖10）利用上述數值仿真方法進行靜水阻力仿真。

圖10 方案模型Fig.10 Model of scheme

2.2.2 仿真結果分析

通過仿真，得到靜水阻力計算結果如圖11 所示。

可知，3 個方案的阻力值和阻力值增幅都隨著航速的增加而變大。圖12 為方案2、方案3 的阻力在方案1 基礎上改善后的對比值。

圖12 兩方案較方案1 阻力改善計算百分比Fig.12 The two schemes calculate the percentage of resistance improvement over scheme one

可知方案2、方案3 的阻力較方案1 都有一定的減小，但在航速從10 kn 增至14 kn 時，方案3 的減阻跨度并不大，而方案2 效果很好。綜上可知，方案2 在靜水阻力模擬過程中，阻力性能最好。

3 碎冰阻力數值仿真研究

據最新冰情預報可知，維護船在碎冰地區的巡檢工作有很大困難。為此，本文在LS-DYNA 軟件中用流固耦合方法來進行冰阻力數值模擬，探求3 個方案中的最優船型。

3.1 模擬方法理論

ALE 算法是本文模擬方法。為解決碎冰變形問題，將用式（7）計算分析。

式中：Xi為拉格朗日坐標；xi為 歐拉坐標； ?vi為相對速度；ui為 流體質點速度；wi為參考坐標系下的網格速度[9]所示。

3.2 碎冰域仿真模型相關參數設置

本文航標維護船在選擇材料過程中使用剛性體，所以當船與冰發生碰撞時，不考慮船內部結構的應力變化。船體模型材料參數如表4 所示。水域的長度為5L；深度為5 m。空氣域長為3B（型寬）；高度為3 m。網格大小為1 m，在2 種介質交界共面處使用共節點網格，如圖13 所示。

圖13 流體域模型Fig.13 Fluid domain model

表4 船體模型材料參數（MAT_RIGID_(020)）Tab.4 Material parameters of hull model

由于水域、空氣域邊界會產生人工應力波，所以設置非反射邊界條件來預防其對仿真結果產生影響。為了不計算狀態方程的偏應力，同時可定義粘性，水和空氣選NULL_(009)材料，其余流體模型材料參數如表5 所示。

表5 流體模型材料參數Tab.5 Material parameters of fluid model

采用彈塑性海冰本構模型，其材料參數見表6[10]。參考實際情況，選定碎冰的覆蓋率為50%，冰層厚度為0.15 m。

表6 碎冰材料參數Tab.6 Material parameters of broken ice

在耦合水、空氣、船和冰之后，用恒定的速度在X方向計算，總時長為30 s。流體域與碎冰域的長度分別為150 m、80 m，寬度分別為60 m、55 m，如圖14所示。

圖14 船體-冰耦合模型Fig.14 Ship-ice coupling model

3.3 維護船碎冰域阻力仿真

在構建好船冰的耦合模型、確定模擬需要的材料參數后，將在50%密集度的碎冰域[11]中，用靜水模擬時使用的4 種航速對3 種船型進行阻力仿真。

圖15 展現了方案1 沿X方向阻力隨時間的變化趨勢，可看出船與冰的碰撞伴隨航速提高而愈演愈烈，但其增長并不規律。阻力峰值在動能較大時很高，航行的某個時間段船首底部積壓碎冰而降低了動能，使得峰值下降。方案2、方案3 亦是如此。

圖15 方案1 碎冰阻力曲線Fig.15 Broken ice resistance curve of scheme one

為更好地觀察比較3 個方案的阻力大小，在表7中列出總時間段內的平均碎冰阻力值。

表7 平均碎冰阻力值Tab.7 Average value of crushed ice resistance

為更直觀地看出3 個方案的區別，將碎冰阻力值用圖16 表示。

圖16 阻力均值折線圖Fig.16 Average resistance line chart

可知，航速在1.95 m/s 之后，方案1 和方案3 的阻力值較大，且方案1 的阻力值增加梯度較大。方案2在整個碎冰區的航行過程中阻力均值穩定在25 000～35 000 N，相較其他2 方案其增幅較為平緩。方案3 在前期航速階段阻力增值較大，說明其與碎冰產生接觸并碰撞的時間最早。綜上表明，方案2 的船型具有較好的碎冰阻力性能。

4 結 語

針對碎冰海域航標安全、高效維護的需要，依據母型船船型所設立的3 個不同船型方案及其數值仿真結果，得到以下結論：

1）采用全回轉推進操縱裝置及與之匹配的尾型，在模擬中具有較小的回轉直徑（是常規舵槳的一半），體現了優良的操縱性性能，適合碎冰海域航標安全操縱和精準靠標操控的需要。

2）采用球根型船型的方案2 具有較好的靜水阻力和碎冰阻力性能，可作為碎冰海域航標維護船船型使用。