陳前昆,尹奇志,范愛龍,嚴(yán)新平,鄭 杰,王 瑞

(1.武漢理工大學(xué) a.能源與動力工程學(xué)院可靠性工程研究所； b.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室；c.能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063； 2.重慶市巴南區(qū)港航管理處，重慶 401320)

基于CFD的某內(nèi)河游船風(fēng)載荷系數(shù)計算

陳前昆1a,b,尹奇志1a,b,范愛龍1a,b,嚴(yán)新平1a,b,鄭 杰2,王 瑞1c

(1.武漢理工大學(xué) a.能源與動力工程學(xué)院可靠性工程研究所； b.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室；c.能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063； 2.重慶市巴南區(qū)港航管理處，重慶 401320)

為獲得船舶風(fēng)載荷系數(shù)的準(zhǔn)確計算方法及其在不同風(fēng)向角下的分布規(guī)律，以某內(nèi)河船舶為研究對象，對船舶水上結(jié)構(gòu)表面風(fēng)場風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同風(fēng)向角下的風(fēng)載荷系數(shù)，將計算結(jié)果與Fujiwara和Blendermann方法對比,結(jié)果表明，k-εRealizable湍流模型在計算風(fēng)載荷系數(shù)時準(zhǔn)確度較高；隨著風(fēng)向角變化，船舶風(fēng)載荷系數(shù)變化較大；所采用的數(shù)值計算方法及網(wǎng)格形式可較好預(yù)報游輪風(fēng)阻力。

內(nèi)河游船；風(fēng)載荷系數(shù)；數(shù)值模擬；流場分析

隨著國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)提出的新船能效設(shè)計指數(shù)(energy efficiency design index，EEDI)及營運(yùn)能效指數(shù)(energy efficiency operational index，EEOI)等通函的逐步實施[1]，船舶節(jié)能減排成為船東、船廠以及船舶設(shè)計工作者關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。船舶在航行中所受阻力根據(jù)介質(zhì)的不同可以分為風(fēng)阻力和水阻力。船舶風(fēng)阻力在總阻力中比重雖小，但是其對船舶推進(jìn)性能、船舶操縱性能也有較大的影響。同時，隨著綠色船型設(shè)計研究的逐步深入，為更多挖掘優(yōu)化空間，提高能效以適應(yīng)EEDI的需求，船舶風(fēng)阻優(yōu)化逐漸得到船東和航運(yùn)企業(yè)的關(guān)注，風(fēng)阻研究對船舶航行安全和減阻降耗都至關(guān)重要[3-7]。

當(dāng)前，理論分析法、風(fēng)洞試驗和CFD方法是研究船舶風(fēng)阻的主要方法。理論分析的結(jié)果一般帶有普遍性，需要抽象和簡化計算對象才能得到理論解。風(fēng)洞試驗雖然能得到真實、可靠的試驗結(jié)果，但其操作周期性長、費(fèi)用高、操作復(fù)雜，而且還不能直觀地觀察流場。相比之下，CFD數(shù)值模擬方法則能成功彌補(bǔ)上述兩種方法的不足，費(fèi)用少，重復(fù)性好，而且可以模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布及其周圍的空間流場情況[8-10]。

利用CFD方法進(jìn)行風(fēng)載荷計算方面，在研究對象上，從最初的一些小型帆船，到后來逐步向大型油船、集裝箱船和LNG船等船型發(fā)展；在研究內(nèi)容上，學(xué)者在利用數(shù)值模擬方法開展計算時，對不同船型的計算策略，也都進(jìn)行了較為全面和深入的探索[11-13]。然而，CFD方法在對游輪這一船型上的研究極少，不同船型之間CFD方法的計算策略可能會有較大差異，且游船載客量大，其安全性備受矚目。本文以具有代表性的某內(nèi)河游船為研究對象，基于CFD方法對對象船舶進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探索不同網(wǎng)格劃分形式，不同湍流模型對數(shù)值模擬計算結(jié)果的影響，對比經(jīng)驗公式與數(shù)值模擬方法的計算結(jié)果，并分析船舶數(shù)值流場信息，為游輪風(fēng)阻力及力矩的精確計算提供參考。

1 船舶風(fēng)載荷系數(shù)與經(jīng)驗公式

1.1 船舶風(fēng)載荷和風(fēng)載荷系數(shù)

風(fēng)載荷對于船舶的影響，主要體現(xiàn)在增加其在航行過程中的風(fēng)阻力上，在對船舶風(fēng)載荷的研究中，主要關(guān)注船舶水線以上結(jié)構(gòu)所受到的縱向力、橫向力和艏搖力矩，見圖1。

圖1 船舶風(fēng)載荷示意

為使風(fēng)阻的計算結(jié)果便于在不同船舶尺寸和不同風(fēng)速風(fēng)向下進(jìn)行對比，計算得到的風(fēng)阻力通常以經(jīng)過處理的無量綱系數(shù)表示，該系數(shù)直接決定了船舶受風(fēng)阻力大小，如下式所示[14]。

(1)

(2)

(3)

式中:CX、CY、CN——縱向、橫向風(fēng)載荷系數(shù)、艏搖力矩系數(shù)；

ρ——空氣密度;

LOA——船長;

AL、AT——船舶正縱、正橫時的受風(fēng)面積。

1.2 經(jīng)驗公式

目前計算風(fēng)載荷系數(shù)的經(jīng)驗公式主要有：Isherwood方法、Blendermann方法、OCIMF公式、Fujiwara方法、范·伯利柯姆公式等，從中選擇普遍認(rèn)為具有較高精度的Fujiwara和Blendermann方法作為對數(shù)值計算結(jié)果的參照[15-18]。

2 數(shù)值模型

2.1 船型參數(shù)及計算模型

選取內(nèi)河一艘游船為算例進(jìn)行風(fēng)載荷系數(shù)研究，其主尺度列于表1，典型工況選為滿載。

表1 對象船舶主尺寸 m

利用FLUENT前處理軟件GAMBIT進(jìn)行建模?？紤]到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，幾何建模時對受風(fēng)阻影響較小的構(gòu)件進(jìn)行簡化，簡化后的模型見圖2。

圖2 對象船舶幾何模型

2.2 計算域設(shè)置及網(wǎng)格劃分

根據(jù)國際拖曳水池會議(international towing tank conference，ITTC)臨時規(guī)程，在研究網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響時，至少要采用密度不同的三套網(wǎng)格。本算例建立三套網(wǎng)格，設(shè)置形式見表2。

表2 三套網(wǎng)格的基本情況

為方便計算不同風(fēng)向角下的風(fēng)載荷系數(shù)，在對模型進(jìn)行流域構(gòu)造時，將計算域分成內(nèi)域和外域，船舶模型置于內(nèi)域中，將內(nèi)域設(shè)計成圓柱體形，能圍繞其軸心做任意角度旋轉(zhuǎn)，見圖3。

圖3 流域及網(wǎng)格設(shè)置示意

在網(wǎng)格劃分時，采用混合網(wǎng)格以提高計算精度：內(nèi)域模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；外域結(jié)構(gòu)簡單，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

2.3 湍流模型及邊界條件

目前湍流數(shù)值模擬方法分為直接數(shù)值模擬(DNS)、雷諾平均N-S方程(RANS)和大渦模擬(LES)三種。從結(jié)構(gòu)工程實踐的角度看，DNS與LES方法計算量巨大，限于計算機(jī)條件的約束，不適用于工程應(yīng)用，現(xiàn)有數(shù)值模擬一般采用基于時間平均的雷諾平均方(RANS)法[19]。 RANS 方法中湍流模型的選取是數(shù)值模擬的核心問題，然而湍流模型或多或少都帶有一定的經(jīng)驗成分，因此在實際計算過程中，需要進(jìn)一步探討湍流模型的選取對計算結(jié)果的影響。

結(jié)合實踐經(jīng)驗，剩余設(shè)置項為：選擇壓力基求解器和SIMPLEC算法進(jìn)行速度壓力耦合，對流項采用精度較高的二階迎風(fēng)離散格式，計算域入口為速度入口，空氣出口為壓力出口，船舶結(jié)構(gòu)表面為壁面邊界條件，流域其他邊界采用對稱邊界。

3 數(shù)值計算影響因素分析

以船舶正迎風(fēng)工況為例，以經(jīng)驗公式計算結(jié)果為參照，對比不同網(wǎng)格劃分形式和不同湍流模型對數(shù)值計算結(jié)果的影響。

3.1 網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果的影響

按照控制變量的原則，在計算過程中暫時選定湍流k-εrealizable模型。分別在相對風(fēng)速為10和15 m/s下，對三套網(wǎng)格分別進(jìn)行計算，見表3。

表3 三種網(wǎng)格形式數(shù)值計算結(jié)果對比

由表3可以看出，網(wǎng)格1的劃分比較粗糙，且流域偏小，導(dǎo)致計算結(jié)果偏差較大，而網(wǎng)格2和3計算結(jié)果和經(jīng)驗公式比較接近，在相對風(fēng)速發(fā)生變化時，風(fēng)阻力系數(shù)基本保持穩(wěn)定。

3.2 湍流模型對計算結(jié)果的影響

基于RANS方法的湍流模型包括：①Spalart-Allmaras 模型；②k-ω模型，包括k-ωRealizable、k-ωStandard和k-ωRNG；③k-ω模型，包括k-ωRealizable和SSTk-ω；④雷諾應(yīng)力模型(RSM)。

以網(wǎng)格2為算例，在相對風(fēng)速為10 m/s時，計算結(jié)果見表4。

表4 三種湍流模型計算結(jié)果對比

由以上對基于RANS的7種湍流模型進(jìn)行計算對比后可以看出，k-εRealizable模型與k-εStandard模型的計算結(jié)果與經(jīng)驗值最為接近，且兩種模型的收斂時間較其余幾種收斂時間短，效果最好；而k-ε模型中，RNG模型在計算阻力值時出現(xiàn)振蕩，Realizable和Standard模型的計算結(jié)果相差很小，但前者收斂時間短，收斂性更好，更具參考價值。根據(jù)上述分析與對比，為縮短計算時間，提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度，網(wǎng)格劃分選擇第2種設(shè)置形式，湍流模型選擇k-εRealizable模型。

4 不同風(fēng)向角下計算結(jié)果對比及分析

4.1 CFD計算流場分布

對船模在0°～180°，間隔角為10°的不同風(fēng)向角下進(jìn)行數(shù)值計算，從中選取θ=0°、60°、90°和120°共4個風(fēng)向角下的計算結(jié)果，其壓力云圖和流場分布見圖4～7。當(dāng)船舶行駛方向與相對風(fēng)向相反，即θ=0°時，船舶流場流線變化均勻且分布較為對稱，見圖4。

圖4 0°風(fēng)向角下的流線和壓力分布

當(dāng)船舶行駛方向與相對風(fēng)向的夾角θ=60°和120°時，船體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的流場分布不再對稱。迎風(fēng)側(cè)的流線密集，壓力大；背風(fēng)側(cè)流線稀疏，壓力小。在船體艉部和艏部裝有尖角部位的背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)旋渦，并與其他的氣流相互纏繞，見圖5和圖6。

圖5 60°風(fēng)向角下的流線和壓力分布

圖6 120°風(fēng)向角下的流線和壓力分布

當(dāng)船行駛方向與相對風(fēng)向垂直，即θ=90°時，背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)流向封閉環(huán)繞且尺寸較大的旋渦，見圖7。

圖7 90°風(fēng)向角下的流線和壓力分布

4.2 風(fēng)載荷系數(shù)計算結(jié)果對比

將經(jīng)驗公式和CFD計算得到的CX、CY、CN進(jìn)行對比分析，如圖所示，CX隨風(fēng)向角的增大整體變化趨勢比較凌亂，這與對象船舶艏艉結(jié)構(gòu)不對稱有關(guān)；CY隨風(fēng)向角度變化平緩，在60°和120°附近達(dá)到最大值；艏搖力矩系數(shù)CN同樣變化平緩，在40°和140°附近絕對值取得最大值。

圖8 縱向風(fēng)載荷系數(shù)隨風(fēng)向角度的變化

圖9 橫向風(fēng)載荷系數(shù)隨風(fēng)向角度的變化

圖10 艏搖力矩系數(shù)隨風(fēng)向角度的變化

對以上計算結(jié)果，利用歐氏距離量化經(jīng)驗公式與CFD計算結(jié)果間的相似程度，歐氏距離值越小表示吻合度越高。計算結(jié)果見表5。

表5 經(jīng)驗公式與CFD計算結(jié)果的歐氏距離

由表5可見，在計算縱向風(fēng)載荷系數(shù)時，F(xiàn)ujiwara公式與CFD相似度最高；而在計算橫向風(fēng)載荷系數(shù)與艏搖力矩系數(shù)時，Blendermann方法與CFD結(jié)果相似度最高?？傮w來看，3種計算方法具有很好的吻合度。

5 結(jié)論

1)對不同湍流模型進(jìn)行船舶風(fēng)載荷系數(shù)計算，對比分析表明，k-εRealizable模型的計算結(jié)果與經(jīng)驗值最接近。因此在對內(nèi)河游輪風(fēng)阻計算中推薦采用k-εRealizable湍流模型。

2)船體上層建筑的風(fēng)載荷系數(shù)隨風(fēng)向角變化較大，由CFD方法獲得的船舶在不同風(fēng)向角下的流場分布可知，風(fēng)向角度及上層建筑的鈍體程度對船舶背風(fēng)側(cè)的風(fēng)場分布影響較大。

3)CFD計算方法與Blendermann方法和Fujiwara方法吻合良好，計算精度能滿足工程實際應(yīng)用要求。采用的 CFD 計算策略及網(wǎng)格形式可較好預(yù)報游輪風(fēng)阻力。

[1] Marine Environment Protection Committee. Report of the Marine Environment Protection Committee on Its Sixty-Second Session [R]. London: IMO,2011.

[2] 陳前昆,嚴(yán)新平,尹奇志,等.基于EEOI的內(nèi)河船舶航速優(yōu)化研究[J].交通信息與安全,2014,32(4)：87-91.

[3] 莊亞龍,楊彥杰.CFD在船舶行業(yè)中的發(fā)展和應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(32):12.

[4] 張 崢.船舶海上環(huán)境力載荷和穩(wěn)態(tài)動力定位能力研究[D].上海:上海交通大學(xué),2012.

[5] 魏錦芳,尹盡勇,繆泉明.船舶在風(fēng)浪中的失速預(yù)報方法研究[C]∥第九屆全國水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議暨第二十二屆全國水動力學(xué)研討會論文集.成都,北京：海洋出版社,2009.

[6] Ohmatsu S, Takai R, Sato H. On the wind and current forces acting on a very large floating structure[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 1997,119(1):8-13.

[7] T S Lee, H T Low. Wind effects on offshore platforms: A wind tunnel model study[C]∥The Third International Offshore and Polar Engineering Conference. Singapore. 1993:6-11.

[8] 林 一，胡安康，熊 飛．自升式平臺風(fēng)載荷數(shù)值模擬與實驗研究[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2012:27(2):208-214.

[9] Ahmad K, Khare M, Chaudhry K K. Wind tunnel simulation studies on dispersion at urban street canyons and intersections:a review[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2005,93(9):697-717.

[10] Whale J, Anderson C G, Bareiss R, et al. An experimental and numerical study of the vortex structure in the wake of a wind turbine[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2000,84(1):1-21.

[11] Viola I M. Downwind sail aerodynamics: a CFD investigation with high grid resolution[J]. Ocean engineering, 2009,36(12):974-984.

[12] 張金鵬.大型集裝箱船風(fēng)載荷理論分析及計算[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[13] 蔡文山,董國祥,楊春勤,等.船舶風(fēng)載荷數(shù)值計算及風(fēng)洞試驗[C]∥第二十五屆全國水動力學(xué)研討會暨第十二屆全國水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議文集,浙江舟山,北京：海洋出版社,2013.

[14] Andersen IMV. Wind loads on post-panamax container ship[J]. Ocean Engineering, 2013:58(2):115-134.

[15] Fujiwara T, Ueno M, Nimura T. An estimation method of wind forces and moments acting on ships[C]∥Proceedings of the Mini Symposium on Prediction of Ship Manoeuvring Performance. 2001:83-92..

[16] Blendermann W. Wind loads on moored and manoeuvring vessels[J].OMAE, Offshore Technology,1993(1):183-189.

[17] Blendermann W. Parameter identification of wind loads on ships[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1994(2):339-351.

[18] Blendermann W. Estimation of wind loads on ships in wind with a strong gradient, offshore technology[J].1995(1):271-277.

[19] 溫 正,石良辰,任毅如.流體計算應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

Research on Wind Load Coefficients of an Inland Cruise Ship Based on CFD

CHEN Qian-kun1a,b, YIN Qi-zhi1a,b, FAN Ai-long1a,b, YAN Xin-ping1a,b, ZHENG Jie2, WANG Rui1c

(1a. Reliability Engineering Institute, School of Energy and Power Engineering;b. Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology (Ministry of Communications);c. School of Energy and Power Engineering; Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Chongqing Harbor and Waterway Management Bureau, Chongqing 401320, China)

In order to obtain the accurate calculation methods of wind load coefficient and its distribution under different wind direction angle, an inland cruise ship is chosen as a research object whose wind field pressure distribution and wind load coefficients are simulated by means of computational fluid dynamics, and the numerical results are compared with those of Fujiware and Blendermann method. The results show that the model ofκ-εRealizable has a high accuracy; wind load coefficients vary greatly with the coming wind angles; and the method of numerical computation adopted in this paper can accurately calculate the wind load of the inland cruise ship.

Inland ship; wind load coefficients; numerical simulation; flow field analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.005

2015-06-30

國家自然科學(xué)基金(51279149)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域課題(20120143130002)；武漢理工在大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金項目(2015ND-B1-08)

陳前昆(1989-)，男，碩士生

U633.2

A

1671-7953(2015)06-0018-05

修回日期：2015-07-10

研究方向:船舶風(fēng)阻

E-mail: qkchen_whut@163.com