摘" " 要：船舶阻力直接影響船舶的快速性，船舶耐波性直接影響船舶的舒適性，因此需要對二者進行計算分析。本文選取兩艘海上風電運維母船作為研究對象，使用STAR-CCM+軟件，基于重疊網(wǎng)格和VOF方法建立數(shù)值模型，計算船型的靜水阻力和在規(guī)則波下的運動響應，與物理模型試驗結果對比，對船舶的水動力性能做出預報。將兩船型的水動力性能進行對比，分析兩船型的性能優(yōu)劣，為運維母船的船型選擇提供參考。

關鍵詞：運維母船；CFD；重疊網(wǎng)格；靜水阻力；耐波性；STAR-CCM+

中圖分類號：U661.1" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A

Hydrodynamic Performance Analysis of Offshore Wind Farm Maintenance Vessel Based on STAR-CCM+

SONG Zhifei，" CHEN Chaohe

（ South China University of Technology，" Guangzhou 510641 ）

Abstract： Ship resistance directly affects the speed of the ship， and ship seakeeping directly affects the comfort of the ship. Therefore， it is necessary to calculate and analyze both. This article selects two wind farm maintenance vessels as research objects， uses STAR-CCM+ software， establishes numerical models based on overlapping grids and VOF methods， calculates the hydrostatic resistance and the motion response under regular waves of the ship type， compares with the results of physical model experiments， and makes predictions on the hydrodynamic performance of the ships. Compare the hydrodynamic performance of two ship types， analyze the performance advantages and disadvantages of the two ship types， and provide reference for the selection of ship types for wind farm maintenance vessel.

Key words： wind farm maintenance vessels;" CFD; overlapping grid;" hydrostatic resistance;" seakeeping;" STAR-CCM+

1" " "引言

近年來，我國海上風電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，為保障海上風電場的正常運營，越來越多的風電運維船開始建造使用[1]。在風電發(fā)展早期，我國的風電運維船以小型交通型運維艇為主[2]。隨著我國海上風電場逐漸向深遠海發(fā)展，運維船所面臨的天氣條件和海況更加惡劣，相對較小的船只會造成傾覆的重大風險[3]，交通型運維艇不再滿足生產(chǎn)需要，海上風電運維母船應運而生[4]。為應對惡劣的海況環(huán)境，確保運維母船的安全，針對此類船舶的船型選擇極其重要?；贑FD的水動力性能計算分析可以準確預報船型的快速性與耐波性，在運維母船的設計階段具有必要性。

目前CFD技術已經(jīng)越來越多地應用到了船舶的水動力計算當中，基于CFD技術的數(shù)值模擬也成為研究風電運維船的重要手段。馮珺[5]使用CFD仿真軟件FINE/Marine對雙體運維船的阻力性能和水動力性能進行了模擬。曹天舒[6]等使用CFD軟件STAR-CCM+對雙體運維船的靜水阻力進行了模擬分析，得出了片體距離對阻力性能的影響。謝云平[7]等基于CFD技術，分析了抗扭箱對風電運維船航態(tài)及阻力性能的影響。熊志鑫[8]等使用STAR-CCM+軟件計算了雙體船在靜水和規(guī)則波下的阻力，得出了雙體船的阻力系數(shù)和波浪增阻系數(shù)曲線。

2" " 數(shù)值模型

2.1" 計算模型

本文選取64.5 m單體運維母船和66 m雙體運維母船作為研究對象。為提高計算效率，采用1：20縮尺比進行數(shù)值建模，同時取模型的一半進行仿真計算。將坐標系原點設置在模型重心處，船艏方向為X軸正方向，左舷方向為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向。采用STAR-CCM+建立的數(shù)值模型如圖1所示，模型主尺度參數(shù)見表1。

2.2" "控制方程

本文基于CFD方法研究船舶的水動力性能。在笛卡爾坐標系下，對于三維連續(xù)、非定常、不可壓縮流體的連續(xù)方程和動量方程分別為：

（1）

（2）

式中：ρ為流體密度，kg/m3；

ui、uj為平均速度分量，m/s；

xi、xj為坐標系分量，m；

μ為動力粘性系數(shù)，Pa·s；

為雷諾應力項，Pa。

采用SST" k- ω湍流模型，式（3）和式（4）為其表達形式：

（3）

（4）

式中：σk、σω為湍流特朗普數(shù)；

、Gω為衍生項；

Yk、Yω為耗散項；

Dω為交叉擴散項。

2.3" "數(shù)值水池的建立

流體域建立過程中，考慮到船舶的對稱性，取運維船模型的左半部分進行數(shù)值模擬計算。計算域尺寸為：-3LPPlt;xlt;2LPP，0lt;ylt;2LPP，-2LPPlt;zlt;LPP。水池的入口、頂部和底部設置為速度進口，側面設置為對稱平面，出口設置為壓力出口，船體表面設置為無滑移壁面。同時，數(shù)值水池由背景區(qū)和重疊區(qū)組成，流體區(qū)域劃分如圖2所示。

流體域網(wǎng)格劃分如圖3所示，網(wǎng)格劃分采用自動網(wǎng)格生成器，選擇體網(wǎng)格、切割體網(wǎng)格、棱柱層網(wǎng)格等模型。為準確制造波浪及獲取物理量，對自由液面和船體表面進行加密處理。為避免船舶運動幅度過大引起的網(wǎng)格變形，運用重疊網(wǎng)格技術求解船體在波浪中航行時的運動響應。在船體表面處設置6層棱柱層網(wǎng)格，對應y+值為40。

3" " 無關性驗證分析

3.1" "靜水阻力無關性分析

為了提高計算精度和計算效率，對網(wǎng)格尺寸和時間步長進行了無關性分析。選取單體船模型為計算對象，取實船20 kn工況，對應模型航速2.3 m/s。網(wǎng)格細化率取" " ，對網(wǎng)格基礎尺寸分別取0.1 m、0.144 m、0.2 m和0.288 m，對應網(wǎng)格總數(shù)分別為214萬、85萬、38萬、18萬。時間步長取0.003 s、0.005 s、0.01 s、0.02 s、0.04 s。計算結果如圖4所示，在取網(wǎng)格基礎尺寸為0.141 m、取時間步長為0.005 s時，可以兼顧計算精度和計算效率。

3.2" "耐波性無關性分析

耐波性計算中，網(wǎng)格尺寸和時間步長的選取對造波的準確性會有較大影響，進而影響計算的準確性。選取單體船型為計算對象，取實船零航速、波高2 m工況，對應模型波高0.1 m。對網(wǎng)格基礎尺寸分別取0.0707m、0.1 m、0.144 m和0.2 m，對應網(wǎng)格總數(shù)分別為 897萬、347萬、132萬、52萬。時間步長取0.002s、0.003 s、0.004 s、0.006 s、。計算結果見圖5?；谟嬎憬Y果可得，基礎網(wǎng)格尺寸取0.1 m，時間步長取0.003s，可以兼顧計算精度和計算效率。

基于上述無關性分析，對流體域進行網(wǎng)格劃分。單體船型網(wǎng)格總數(shù)為347萬；雙體船型網(wǎng)格總數(shù)為291萬。

4" " 物理模型試驗建立

本試驗于華南理工大學拖曳水池實驗室開展，該水池長 120 m、寬 8 m、深 4 m，拖車最大航速為5 m/s，精度為0.001 m/s。裝備搖板式造波機，波浪周期范圍為0.4～4 s，規(guī)則波最大波高為0.3 m。采用四自由度適航儀測量船模的運動信號，采用拉力計測量船模的阻力信號。為適配水池進行試驗，采用1： 20的縮尺比制作船模外殼。使用轉動慣量架調整船模的重量重心及轉動慣量，使其與數(shù)值模型保持一致。船模的安裝與試驗如圖6所示。

5" " "結果對比分析

5.1" "橫搖自由衰減分析

橫搖阻尼極大地影響了船舶的橫穩(wěn)性，基于CFD方法模擬兩船型在初始橫傾角為15°時的橫搖衰減曲線如圖7所示。雙體船擁有較大的船體寬度，有著橫穩(wěn)性強縱穩(wěn)性弱的特點?；谟嬎憬Y果可以得出單體船的和雙體船的橫搖衰減周期分別為1.32 s和1.59 s，由此可得兩船型的橫搖無因次衰減系數(shù)分別為0.05和0.067，這說明雙體船型的橫搖穩(wěn)定性優(yōu)于單體船型。同時，橫搖無因次衰減系數(shù)可為勢流計算中橫搖附加阻尼的選取提供依據(jù)。

5.2" "靜水阻力分析

基于模型試驗和CFD計算對兩船型的阻力性能進行分析。根據(jù)工程實際需求，取計算工況為實船8～20 kn，對應傅氏數(shù)Fr為0.164～0.407。所得到的靜水阻力、縱傾值和升沉值如圖8所示。縱搖值取艏傾為正，升沉值取上浮為正。

如圖所示，STAR-CCM+模擬得到阻力值與試驗值較為契合，單體船型的各航速誤差均小于3%，雙體船型在高速工況下誤差稍大，但各航速的誤差均小于9%。這說明CFD計算所得兩船型阻力值與試驗吻合良好，使用CFD模擬船舶阻力具有較強的可信度。在較低航速下，雙體船型的靜水阻力值略大于單體船型。但隨著航速的增大，單體船型阻力值增長較快，雙體船阻力增長較慢，且在0.32lt;Frlt;0.36時出現(xiàn)了明顯的阻力下降。為進一步研究雙體船型阻力下降原因，將船舶阻力分為摩擦阻力和壓差阻力，兩種阻力大小如圖9所示。可見，雙體船型的摩擦阻力隨航速的增大穩(wěn)定增大，壓差阻力在較高航速時出現(xiàn)較大波動，此現(xiàn)象由兩片體興波的相互干擾造成，在特定航速下出現(xiàn)了利于阻力性能的有利干擾。

由縱傾角曲線和升沉曲線可見，CFD模擬值與試驗結果較為吻合。兩船型的縱傾角隨航速的增大均穩(wěn)定增加，其中單體船型的縱傾角更小，說明單體船型具有較優(yōu)的縱穩(wěn)性。在Frlt;0.25時，單體船型的升沉值變化較小，在Frgt;0.25時，升沉量變化較大，雙體船型的升沉量隨航速增大穩(wěn)定增大。在絕大部分工況下，單體船型的縱搖和升沉幅值均小于雙體船型，這說明單體船型在靜水環(huán)境下的航態(tài)更加穩(wěn)定。

選取兩船型實船10 kn、15 kn、19 kn三組航速，截取自由面波形圖如圖10所示。由波形圖可見，在相同航速條件下，雙體船型的興波范圍更大。同時，雙體船兩片體之間形成了興波干擾，在不同航速下對船體的壓差阻力具有較大影響。由上述結果可得，雙體船型在靜水阻力性能方面更具優(yōu)勢，而單體船在航態(tài)方面更具優(yōu)勢。

5.3" "規(guī)則波耐波性分析

為簡化起見，本文選取單體船型迎浪零航速工況的CFD計算值與水池模型試驗值進行對比，用以確定CFD在船舶耐波性耐波性計算中的可靠性。迎浪零航速工況波長取0.5≤λ≤7.1，波高取100 mm。圖11為單體船型的縱搖和升沉無因次結果，其中θ為縱搖角，k為波數(shù)，ζ為波幅，Z為升沉量。計算結果與試驗結果的吻合程度良好，絕大部分工況誤差均在8%以內，這說明了STAR-CCM+軟件在船舶耐波性計算方面有較強的可靠性。

取實船航速8 kn、10 kn、15 kn（分別對應運維母船的低速、正常航速、高速工況）進行耐波性計算，對應模型航速為0.919 m/s、1.15 m/s、1.724 m/s，波長取0.7≤λ≤2.2，波高取100 mm。圖12和圖13為迎浪各航速下兩船型的縱搖和升沉無因次結果。

從縱搖響應曲線看，單體船型的縱搖響應隨波長的增加而增大，雙體船則是呈先增大后減小的趨勢。同時，單體船型的縱搖響應曲線變化相對平穩(wěn)順滑，而雙體船型縱搖響應曲線兩端的變化速度較快。整體而言，在0.7≤λ≤1.0時，兩船型的縱搖響應均較小；在1.0≤λ≤1.6時，單體船型縱搖響應持續(xù)增大，雙體船型縱搖響應較大，達到響應極值，單體船型運動響應優(yōu)于雙體船型；在1.6≤λ≤2.2時，單體船型縱搖響應趨于穩(wěn)定，雙體船型響應幅值逐漸變小，雙體船型運動響應優(yōu)于單體船型。在升沉響應方面，單體船型的縱升沉響應曲線變化相對平穩(wěn)順滑，在中低速雙體船型升沉響應曲線在λ≥2.0時出現(xiàn)較快增大，在大部分工況下雙體船型的升沉響應幅值小于單體船型。

6" " "結論

1）本文使用基于網(wǎng)格重疊技術的CFD方法預報了運維母船的靜水阻力性能和規(guī)則波中的運動性能，計算結果與水池試驗結果吻合良好，證明了CFD方法預報運維船水動力性能的準確性與穩(wěn)定性。

2）在靜水航行時，雙體船型的縱搖和升沉值明顯大于單體船型，在航速大于16 kn時，兩片體之間形成良性干擾，出現(xiàn)了阻力下降的現(xiàn)象，使得雙體船型的靜水阻力明顯優(yōu)于單體船型。

3）橫搖穩(wěn)定性上，雙體船型優(yōu)于單體船型。在縱搖穩(wěn)定性上，單體船型的運動相應較為穩(wěn)定，雙體船型的RAO運動響應曲線變化較為劇烈。

參考文獻

[1] 王建彪，張恭.海上風電場運維設備發(fā)展概述[J].廣東造船， 2017， 36 （05）.

[2] 孫秋霞.海上風電維護雙體船結構優(yōu)化設計研究[D].大連：大連理工

大學， 2018.

[3] Dalgic Y，" Lazakis I，" Dinwoodie L， et al. Advanced logistics planning" for offshore

wind farm operation and maintenance activities[J]. Ocean Engineering， 2015， 101：

211-226.

[4] 孫連科，冷阿偉，王飛等.海上風電場運維母船特殊性功能研究[J].

內燃機與配件， 2024 （01）.

[5] 馮珺.基于CFD的海上風電雙體運維船降阻優(yōu)化及耐波性能研究[D].

大連：大連海洋大學， 2023.

[6] 曹天舒，管義鋒，于興鵬.基于STAR-CCM+的雙體風電運維船靜水

阻力仿真[J].艦船科學技術， 2022， 44 （02）.

[7] 謝云平，吳海紅，高天敏等.雙體風電維護船艉抗扭箱和壓浪板對耐

波性的影響[J].船舶工程， 2021， 43 （09）.

[8] 熊志鑫，李金汪，許雷東.基于STAR-CCM+的雙體船阻力預報[J].艦

船科學技術， 2021， 43 （21）.