深水沉船打撈多體系統(tǒng)流載荷計(jì)算分析

劉雨?凌宏杰

摘 要：雙駁船抬吊法被越來(lái)越多用于大噸位沉船整體打撈，其作為多體系統(tǒng)存在著復(fù)雜的水動(dòng)力特性，尤其在深水中應(yīng)用尚需進(jìn)一步研究。本文基于粘流理論，借助 CFD 軟件 FINE/Marine對(duì)雙駁船抬吊法在深水海域整體打撈大噸位沉船作業(yè)過(guò)程中受到的流載荷進(jìn)行數(shù)值分析，給出沉船不同浸沒(méi)水深不同方向的流力系數(shù)，重點(diǎn)分析了沉船出水后的多體系統(tǒng)流載荷和流場(chǎng)分布情況，研究多體系統(tǒng)的遮蔽效應(yīng)。相關(guān)研究結(jié)果對(duì)雙駁抬吊沉船整體打撈方案設(shè)計(jì)中的船舶水動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)特性分析具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：沉船打撈；多體系統(tǒng)；CFD；流載荷；遮蔽效應(yīng)

中圖分類號(hào)：U676.6+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引 言

隨著世界海洋運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，海損事故沉船的大型化、深水化趨勢(shì)明顯，對(duì)事故沉船的打撈能力的發(fā)展也在推進(jìn)。采用液壓同步提升技術(shù)的雙駁抬吊沉船打撈工藝，具有打撈噸位大、自動(dòng)化高、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，近些年被應(yīng)用于大噸位沉船整體打撈，如：2007年煙臺(tái)打撈局完成的“暢通”號(hào)艉段整體打撈工程，2017年上海打撈局完成的韓國(guó)“世越”號(hào)整體打撈工程等，標(biāo)志著我國(guó)已具備60 m以內(nèi)淺海區(qū)整體打撈2萬(wàn)～3萬(wàn)噸級(jí)沉船的能力，但在深海大噸位沉船打撈技術(shù)方面還有待提高[2]。使用雙駁抬吊技術(shù)進(jìn)行沉船整體打撈作業(yè)過(guò)程中，整個(gè)打撈系統(tǒng)是一個(gè)變化的多體系統(tǒng)，具有復(fù)雜的水動(dòng)力現(xiàn)象， 常規(guī)單船漂浮狀態(tài)下流載荷計(jì)算方法此時(shí)已不再適用。流載荷作為打撈系統(tǒng)受到的主要環(huán)境載荷之一，對(duì)打撈駁船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及沉船提升過(guò)程中的水平漂移作用明顯，給打撈作業(yè)安全帶來(lái)很大影響。因此，針對(duì)雙駁抬吊沉船打撈作業(yè)進(jìn)行較為全面準(zhǔn)確的流載荷計(jì)算分析變得十分必要。

CFD（Computational Fluid Dynamics） 計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真方法已成為船舶水動(dòng)力性能研究的首選方法[3]，適用于不同類型無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的船舶流載荷計(jì)算。倪歆韻[4]基于 SST k-ω 湍流模型利用CFD方法對(duì)某鉆井平臺(tái)流載荷進(jìn)行了計(jì)算，并通過(guò)與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了CFD數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。田喜民[5]采用CFD方法基于不同湍流模式對(duì)KVLCC2模型的斜航運(yùn)動(dòng)粘性流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了SST k-ω 模式更為適合于船舶斜航運(yùn)動(dòng)粘性流場(chǎng)數(shù)值模擬的結(jié)論。對(duì)于完全浸沒(méi)于水中的沉船或多船體并靠在一起多體系統(tǒng)的流載荷，相關(guān)研究工作還相對(duì)較少。秦飛等[6]基于三維勢(shì)流理論提出了兩船并靠作業(yè)時(shí)流載荷的遮蔽效應(yīng)，但并未考慮到粘性的影響。于佳暉[7]利用 CFD軟件計(jì)算并靠補(bǔ)給作業(yè)中船舶的流載荷，分析了各種工況因素對(duì)船舶流載荷遮蔽效應(yīng)的影響。Hong 等[8]運(yùn)用 STAR-CCM+數(shù)值仿真方法計(jì)算了三船并靠補(bǔ)給時(shí)不同流向角下的流載荷結(jié)果，證明了流載荷在并靠補(bǔ)給作業(yè)時(shí)存在明顯遮蔽性。湯翔宇[9]基于粘流理論和SST k-ω湍流模型利用 CFD 軟件對(duì)非對(duì)稱半潛式平臺(tái)雙浮體的流載荷進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并通過(guò)與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得出數(shù)值模擬誤差小于 5.34%。

相對(duì)于淺水海域，應(yīng)用雙駁船抬吊法進(jìn)行深水沉船打撈時(shí)，需使用較長(zhǎng)的起吊索具，沉船起吊距離和時(shí)間也更長(zhǎng)，海流分層明顯，整個(gè)打撈起吊系統(tǒng)受到的流載荷也更為復(fù)雜。本文針對(duì)300 m 水深使用雙駁船抬吊法對(duì)大型沉船進(jìn)行整體打撈為研究案例，基于粘性流體理論，借助 CFD 軟件 FINE/Marine分別對(duì)位于不同浸沒(méi)深度雙駁抬吊的沉船出水后的多體打撈系統(tǒng)的流載荷和流力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，研究雙駁船抬吊深水打撈大型沉船不同工況下的流場(chǎng)分布，為實(shí)際工程中打撈方案的前期設(shè)計(jì)中的船舶水動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析提供參考依據(jù)。

1 FINE/Marine簡(jiǎn)介

Fine/Marine軟件是由 NUMECA 公司開(kāi)發(fā)的一款專業(yè) CFD 軟件包，可以快捷、準(zhǔn)確地解決船舶與海洋工程領(lǐng)域的船舶操縱性、耐波性、阻力與流動(dòng)等問(wèn)題。該軟件運(yùn)作流程主要有構(gòu)造初始幾何模型、劃分全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、粘性流場(chǎng)求解器以及后處理流場(chǎng)分析，主要軟件構(gòu)成如圖1所示。

HEXPRESS[10]采用全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可用于任何復(fù)雜二維和三維幾何體的網(wǎng)格生成，并且采用了八叉樹(shù)網(wǎng)格拆分方法和由體到面的生成技術(shù)，在物面附近網(wǎng)格被適當(dāng)細(xì)化并投影到物面上，從而形成貼體網(wǎng)格，將復(fù)雜計(jì)算域的網(wǎng)格生成簡(jiǎn)化為以下幾步，如圖2所示。

Fine/Marine內(nèi)置的ISIS-CFD求解器提供的主要功能包括導(dǎo)入網(wǎng)格模型、選定計(jì)算模型和離散格式、給定體的運(yùn)動(dòng)方式等，而且可以快速、高效地對(duì)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的快速性、耐波性、操縱性以及船槳耦合等專業(yè)問(wèn)題進(jìn)行高精度預(yù)報(bào)。Fine/Marine擁有功能全面且強(qiáng)大的CFView后處理模塊，能夠直觀地了解內(nèi)外部流場(chǎng)，可以快速地提供流場(chǎng)細(xì)節(jié)圖片和顯示流場(chǎng)參數(shù)，方便實(shí)現(xiàn)定性、定量參數(shù)的分析。

2 數(shù)值計(jì)算模型及輸入

2.1? 計(jì)算案例簡(jiǎn)介

在本計(jì)算案例中，一艘載重量近萬(wàn)噸的集裝箱船呈正坐狀態(tài)沉沒(méi)于300 m水深的我國(guó)南海海域。根據(jù)國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心數(shù)據(jù)[11]，南海300? m水深海域表面流速大概1.5 kn，50 m水深處流速約為1 kn，100～300 m水深流速受洋流影響變化較小，約為0.1～0.5 kn。2艘安裝有16套液壓同步提升系統(tǒng)的駁船，左右對(duì)稱的布置在沉船兩側(cè)，通過(guò)32道同步提升索具連接至沉船船體結(jié)構(gòu)，將沉船從300 m海底提升至一半船體出水。在此打撈方案中，一共有3個(gè)大型結(jié)構(gòu)物處于水中。在打撈初期，2 艘抬吊駁船漂浮在水面上，而沉船內(nèi)部充滿了水并淹沒(méi)在水下。在打撈末段，沉船部分出水，夾在2艘抬吊駁之間一起漂浮在水面上。整個(gè)打撈系統(tǒng)的布置方案如圖3所示。

2艘抬吊駁船和沉船的主要參數(shù)及重量信息見(jiàn)表1、表2。

2.2? 坐標(biāo)系定義

計(jì)算中使用右手坐標(biāo)系描述船舶流場(chǎng)速度勢(shì)。分析沉船和沉船出水后多體系統(tǒng)的流載荷2種情況的坐標(biāo)系定義如圖4、圖5所示，坐標(biāo)原點(diǎn)均取在沉船重心處，x軸平行沉船基線指向船艏，y軸指向沉船左舷，z軸垂直船體水線面豎直向上。流向角定義如下：沿艏部方向來(lái)流定義為 0°，沿右舷方向來(lái)流定義為 90°，沿艉部方向來(lái)流定義為 180°。

2.3? 計(jì)算模型建立及網(wǎng)格劃分

基于三維建模軟件完成沉船和抬吊駁的三維建模，如圖6、圖7所示。實(shí)物模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化準(zhǔn)則如下：

（1）不改變船舶總體結(jié)構(gòu)特征；

（2）忽略嚴(yán)重影響網(wǎng)格劃分的對(duì)水動(dòng)力影響較小的部件（如尾軸、側(cè)推器軸孔等）；

（3）沉船和抬吊駁的基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

為提高沉船與抬吊駁變流向角時(shí)計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格生成效率，整個(gè)計(jì)算域處理方式如下：

（1）整個(gè)計(jì)算域采用矩形，6 L×3 L×2 L（L為船舶特征長(zhǎng)度），船舶所在位置采用球域，直徑為1.8 L，球域與矩形域之間采用滑移網(wǎng)格處理；

（2）保證船舶變流向角時(shí)，只需旋轉(zhuǎn)船舶所在位置網(wǎng)格重新生成，內(nèi)域和外域網(wǎng)格無(wú)需重新生成，從而提高網(wǎng)格生成效率，盡量保證變流向角時(shí)計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格分布和數(shù)值的一致性；

（2）針對(duì)多體系統(tǒng)的兩船間隙位置處進(jìn)行網(wǎng)格加密，以捕獲流場(chǎng)劇變特性；

（3）經(jīng)過(guò)網(wǎng)格敏感性分析后，最終確定沉船數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為225萬(wàn)，多體系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為637萬(wàn)。

沉船和多體打撈系統(tǒng)的計(jì)算域和網(wǎng)格劃分如圖8、圖9所示。

2.4?; 計(jì)算工況設(shè)定

對(duì)于沉船浸沒(méi)狀態(tài)下單船體的流速載荷計(jì)算，選取沉船基線深度為50 m和300 m，分別對(duì)應(yīng)0.55 m/s和0.25 m/s兩種定常流速，流向角：0°～180°。對(duì)于抬吊駁與沉船構(gòu)成多體系統(tǒng)的流速載荷計(jì)算，選取沉船基線距自由面深度6 m，抬吊駁吃水7. 5 m，抬吊駁間距固定為25.6 m，表面流為0.75 m/s定常流速，流向角：0°～180°。

2.5? 計(jì)算條件設(shè)置

基于粘性流體理論，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)（為提高網(wǎng)格生成效率），不同浸沒(méi)深度的沉船和多體系統(tǒng)采用約束模式開(kāi)展其流載荷數(shù)值計(jì)算。具體參數(shù)設(shè)置如下：

（1）沉船單船體流載荷數(shù)值計(jì)算選擇單相流；抬吊駁與沉船構(gòu)成多體系統(tǒng)流載荷數(shù)值計(jì)算選擇雙相流。

（2）選用非穩(wěn)態(tài)時(shí)間布局模型；選用比較適合于船舶繞流復(fù)雜流動(dòng)的k-ω （SST-Menter）湍流模型；固壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，上邊界和下邊界采用指定零壓力；入口邊界、出口邊界給定設(shè)計(jì)流速，兩側(cè)邊界為遠(yuǎn)場(chǎng)；流體參數(shù)設(shè)定為15 ℃海水，密度為1 026 kg/m3，動(dòng)力粘性系數(shù)取0.0009 pa·s。

（3）采用AVLSMART離散格式對(duì)于動(dòng)量方程和湍流方程進(jìn)行離散；為了減小自由液面模擬的數(shù)值耗散誤差，自由液面運(yùn)動(dòng)方程采用可壓縮性的 BRICS 格式離散。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1? 流載荷方向及流力系數(shù)定義

通常，我們把作用在船舶上沿著船長(zhǎng)的流載荷定義為縱向流載荷，沿著船寬方向的流載荷定義為橫向流載荷。

此外，為了更好地反映多體打撈系統(tǒng)中各單體結(jié)構(gòu)在不同水平角度下的流體阻力特性，計(jì)算得出的不同工況下的流載荷將按照以下處理方式得到對(duì)應(yīng)的無(wú)因次的流力系數(shù)：

縱向流力系數(shù)

橫向流力系數(shù)

式中：Rx為流載荷縱向分量，N；Ry為流載荷橫向分量，N；P為流體密度，kg/m3；V為流速，m/s；AT為船水下橫向投影面積，m2；AL為船水下側(cè)向投影面積，m2。

3.2? 不同浸沒(méi)深度沉船流載荷計(jì)算與分析

由于船舶具有對(duì)稱性，18°～360°的結(jié)果為0°～180°計(jì)算結(jié)果的鏡像。圖10給出了不同水深狀態(tài)流載荷和流力無(wú)因次系數(shù)分布圖，從圖中可以看出流速0.25 m/s與0.55 m/s對(duì)應(yīng)的沉船的阻力無(wú)因次系數(shù)基本一致，誤差小于8%，縱橫向流力系數(shù)相差較大；出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，縱向力為主流向，所研究的流速對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)超過(guò)臨界雷諾數(shù)，而橫向力主要是流體受到結(jié)構(gòu)物阻塞分流，在y方向流速較低，未超越臨界雷諾數(shù)所致。該現(xiàn)象從縱向流力系數(shù)遠(yuǎn)大于橫向流力系數(shù)得到應(yīng)證。

3.3? 多體系統(tǒng)干擾下流載荷計(jì)算與分析

2艘吊駁船與沉船組成多體系統(tǒng)具有對(duì)稱性，180°～360°的結(jié)果為0°～180°計(jì)算結(jié)果的鏡像。圖11給出了多體系統(tǒng)中沉船、抬吊駁1和抬吊駁2對(duì)應(yīng)流載荷和流力系數(shù)分布圖，從圖11a和圖11b中可以看出沉船的橫向與縱向流載荷處于同一量級(jí)，與單個(gè)沉船的流載荷分布規(guī)律完全不同，主要受到多體干擾，沉船周圍流場(chǎng)較為復(fù)雜，抬吊駁對(duì)沉船的遮蔽效應(yīng)非常明顯。

對(duì)于抬吊駁而言，0°～180°旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，抬吊駁1處于迎流面對(duì)沉船和抬吊駁2具有遮蔽效應(yīng)，沉船和抬吊駁2處于其繞流場(chǎng)中，整體流載荷處于波動(dòng)不穩(wěn)定狀態(tài)。抬吊駁1所示流載荷明顯大于抬吊駁2，抬吊駁2的流載荷分布規(guī)律及量值與抬吊駁1完全不同，除0°和180°抬吊駁1和抬吊駁2關(guān)于流向?qū)ΨQ狀態(tài)外，兩者所受流載荷相當(dāng)。

圖12給出了抬吊駁1與抬吊駁2干擾流載荷分布圖，從圖12a中可以看出，0°～180°流向范圍內(nèi)，尤其是橫流附近情況下，抬吊駁1對(duì)抬吊駁2的遮蔽效應(yīng)明顯，抬吊駁1的總阻力明顯大于抬吊駁2，抬吊駁2處于抬吊駁1的繞流場(chǎng)環(huán)境中，流向發(fā)生改變，因此抬吊駁2的橫向力大于抬吊駁1。

為了定量說(shuō)明抬吊駁1對(duì)抬吊駁2流阻力的影響，圖12b給出了相對(duì)于抬吊駁1，抬吊駁2流阻力變化量分布圖（圖中正值表示抬吊駁1大于抬吊駁2，負(fù)值表示抬吊駁2大于抬吊駁1）。從圖中可以看出：偏縱流情況下（如0°～30°和150°～180°），2條抬吊駁縱向流阻力大小相當(dāng)；偏橫流情況下，由于遮蔽效應(yīng)更明顯，抬吊駁1的縱向流阻力普遍大于抬吊駁2，抬吊駁2流載荷減小量在90°流向最大約61.3%；偏橫流情況下（如60°～120°），由于遮蔽效應(yīng)，抬吊駁1的橫向流阻力普遍大于抬吊駁2，偏縱流和斜流情況下，抬吊駁1的橫向流阻力普遍小于抬吊駁2，抬吊駁2流載荷增量在30°流向最大約185.4%。

3.4? 沉船及多體系統(tǒng)流場(chǎng)分布

圖13給出了不同流向角下沉船中縱剖面流場(chǎng)速度云圖，從圖中可以看出在沉船處于完全浸沒(méi)狀態(tài)，流向角對(duì)船體流速分布影響較大，尤其沉船尾樓附近流場(chǎng)變化較為劇烈，存在明顯的渦流現(xiàn)象，且對(duì)流向角敏感。圖14給出不同流向角下多體系統(tǒng)自由面處流場(chǎng)圖，從圖中可以看出多體系統(tǒng)對(duì)流場(chǎng)的影響較大，沉船與抬吊駁之間的狹窄水域內(nèi)部流速存在激變現(xiàn)象；受到多體之間的遮蔽效應(yīng)，流向角對(duì)多體系統(tǒng)的流場(chǎng)分布規(guī)律影響較大。尾流場(chǎng)的影響區(qū)域與迎流截面積成正比，遮蔽區(qū)內(nèi)部存在明顯渦流現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文基于粘性流體理論，以300 m水深使用雙駁船抬吊法整體打撈大噸位沉船為研究案例，借助CFD 軟件FINE/Marine對(duì)雙駁船抬吊法在深水海域整體打撈大型沉船作業(yè)過(guò)程中受到的流載荷進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

對(duì)于沉船在提升過(guò)程中處于完全浸沒(méi)狀態(tài)時(shí)，計(jì)算得出沉船位于不同水深，受到不同海流情況下的流載荷和流力系數(shù)，并給出各流向下的流場(chǎng)分布，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)不同水深和流速下的流力系數(shù)相差不大。

對(duì)于沉船被提升出水后與雙抬吊駁船形成的多體系統(tǒng)，計(jì)算得出其流載荷和流力系數(shù)，給出各流向下的流場(chǎng)分布，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)船體狹窄間隙存在流速激變現(xiàn)象，多體系統(tǒng)的遮蔽效應(yīng)明顯。

本文相關(guān)研究結(jié)果可以為打撈系統(tǒng)水動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)特性分析提供數(shù)據(jù)支持，為實(shí)際工程中打撈方案的前期設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李人志. 雙駁抬撬沉船打撈液壓試驗(yàn)平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2020.

[2] 潘德位，林成新，孫德平等. 我國(guó)沉船打撈技術(shù)的研究現(xiàn)狀[C]// 第八屆中國(guó)國(guó)際救撈論壇論論文集. 上海：中國(guó)航海學(xué)會(huì)，2015：160-165.

[3] Kume K，Hasegawa J，Tsukada Y，et al. Measurements of hydrodynamic forces， surface pressure， and wake for obliquely towed tanker model and uncertainty analysis for CFD validation[J]. Journal of Marine Science and Technology， 2006， 11（2）： 65-75.

[4] 倪歆韻，陳江峰.船舶風(fēng)載荷和流載荷數(shù)值模擬計(jì)算方法研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A 輯，2013，28（4）：408-413．

[5] 田喜民，鄒早建，王化明. KVLCC2 船模斜航運(yùn)動(dòng)粘性流場(chǎng)及水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算[J].船舶力學(xué)，2010，14（8）：834-840.

[6] 秦飛，王平.兩船并靠作業(yè)流載荷研究[J]. 船舶，2013，24（3）：1-6.

[7] 于佳暉. 多用途船并靠多浮體海上基地水動(dòng)力研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2019.

[8] Jang Pyo Hong，Seok-Kyu Cho，Yun Ho Kim. Numerical Study of Current Forces Acting on Floating Bodies in Side-by-Side Configuration [C]. Proceedings of the Twenty-sixth International Ocean and Polar Engineering Conference， International Society of Offshore and Polar Engineers （ISOPE）， Rhodes， Greece， 2016：543-551.

[9] 湯翔宇. 非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)水動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性研究[D]. 江蘇：江蘇科技大學(xué)，2020.

[10] User Guide of HEXPRESS? 7.2 [M/CD]. http：//www.numeca.com.

[11] 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心南海數(shù)值預(yù)報(bào)[EB/OL].http：//www.nmefc.cn/hailiu/nanhai.asp