船舶风载荷计算及上层建筑降阻优化

船舶风载荷计算及上层建筑降阻优化

蔡文山,高家镛,杨春勤

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

摘要:以某5万吨级油船为研究对象，采用数值计算和风洞试验相结合的方法，对该油船不同风向角下的风载荷进行了研究。同时，基于降阻提效的理念，对该船上层建筑正迎风面构型进行了优化设计，并提出了3套优化方案。研究结果表明：数值结果与试验结果较为吻合，该数值方法可用于船舶风载荷工程预报；提出的上层建筑优化方案能够达到一定的降阻效果。

关键词:船舶风载荷； 数值计算； 风洞试验； 降阻优化

收稿日期：2015-01-13

基金项目：工信部高技术船舶项目(国214C-6106A)

作者简介：蔡文山(1986—)，男，福建漳州人，研究实习员，主要从事船舶风场和船舶总舾设计工作。

文章编号：1674-5949(2015)02-008-07

中图分类号：U661.71文献标志码：A

Calculation of Ship Wind Load and Superstructure Resistance Optimization

CaiWenshan,GaoJiayong,YangChunqin

(Shanghai Ship and Shipping Research Institute, State Key Laboratory of

Navigation and Safety Technology, Shanghai 200135, China)

Abstract:The wind loads on an oil tanker under different wind angles are calculated by means of combining the numerical simulation and wind tunnel tests. For the purpose of improving shipping energy efficiency through reducing wind resistance, some optimization works on windward configuration of the superstructure on this oil tanker are investigated, and three optimization schemes are proposed. Test results show that numerical calculation output agrees with that of wind tunnel tests with the accuracy that is appropriate from the viewpoint of engineering application. Each proposed optimization scheme achieves certain effect of resistance reduction.

Key words: ship wind load; numerical simulation; wind tunnel test; optimization of resistance reduction

0引言

船舶的风载荷对船舶的推进性能、操纵性能有较大的影响。在一些特殊的工况(如船舶港口作业，驳船顶推作业和动力定位)下，风载荷的影响更加明显。另外，随着船舶能效设计指数(Energy Efficiency Design Index, EEDI)等[1]的逐步推行及绿色船型设计研究的逐步深入，各航运企业、造船行业对船舶性能的要求越来越高，更多地关注船舶性能细节，更加重视船型优化设计。

此处对一艘典型油船在不同风向角下的风载荷进行研究比较，同时，基于降低风阻、提高航运能效的理念，对该油船上层建筑正迎风面构型进行降阻优化设计，并通过风洞试验验证优化方案的有效性。

1数值计算模型

以某5万吨级油船(船长183.2 m，型宽32.2 m，型深18.2 m，设计航速15 kn)为研究对象。采用数值建模方法对船舶甲板上的管道等结构进行简化处理，最终得到的数值几何模型(采用Gambit建模)见图1。

图1　压载吃水工况的数值几何模型

数值模型采用新的流域分区构造和网格划分方法[2]，将计算域分成内域和外域，内、外域交界面通过Interface边界进行信息传递。内域设计成圆柱体形(见图2)，能围绕其轴线做任意角度旋转，船模置于其中。在不同来流风向角的计算工况下，只需将内域旋转至所需的角度而外域维持不变。数值计算时，只需进行一次流域构造、网格划分和边界条件定义即可实现任意多风向角工况的计算，大大减少了建模的工作量。

图2　计算流域及船体表面网格

船模表面网格采用三角形pave划分，船模结构各角隅局部加密处理。划分体网格时使用尺寸函数进行加密，使得影响计算结果的船体附近网格能够达到足够的密度。整体上，在近域使用非结构网格形式，远域使用结构网格形式。以压载工况为例，最终非结构网格361.7万个，占网格总数的67.37%，网格质量良好，偏斜率>0.75的仅有116个，几乎可以忽略。

数值计算在FLUENT软件上完成。在船体及上层建筑表面使用无滑移边界条件(Wall边界)，流域空气入口选用Velocity-Inlet边界，空气出口选用Pressure-Outlet边界，流域其他边界采用Symmetry边界。采用定常计算并选择Realizableκ-ε两方程湍流模型[3]配合非平衡壁面函数。船模分别在压载和满载载况下，相对风速11 m/s和20 m/s，风向角从0°~180°每隔15°为一档进行数值计算。

2风洞试验

风洞试验在同济大学TJ-2大气边界层风洞实验室完成。该风洞是一座闭口回流式矩形截面风洞，试验段宽3 m、高2.5 m、长15 m，试验风速在0.5～68 m/s连续可调。将试验船模设计为可以拼接的分块刚体模型，船模缩尺比为1∶120。试验示意图见图3。

图3　风洞试验示意图

为模拟水面以及消除天平、连接件等对气流的干扰，设计了测力系统支架。该支架由十字形钢板、近似椭圆形的有机玻璃薄板以及两者间的支架组成。船模水平安装于风洞中，与支架分离，由安装在转盘上的六分量应变天平支撑，作用在船模上的气动力由该天平测量。船模和转盘可以在风洞室控制下进行360°旋转，从而进行不同风向角下的试验。测量时，设定风向角在0°~180°每隔15°为一档进行试验。

3不同风向角风载荷研究

使用固定在船体上的右手坐标系，坐标原点固结在船舯剖面、中纵剖面和水线面相交位置，x轴指向船首，y轴指向右舷，z轴指向水下。船舶正迎面为0°风向角，风向角逆时针旋转。在实际研究中，比较关心船舶在风场中所受到的纵向力Fx(纵荡力)、横向力Fy(横荡力)、横摇力矩Mx和艏摇力矩Mz。相应的风力(矩)系数定义参考见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式(1)~式(2)中：ρ为空气密度；V为相对风速；LOA为船舶总长；HL为船舶侧向平均高度；AF为船舶水上部分正面投影面积；AL为船舶水上部分侧向投影面积。

将数值计算结果和风洞试验结果按照式(1)和式(2)进行无量纲化。限于篇幅，仅对11 m/s风速下的数值计算与风洞试验结果进行比较分析(见图4~图7)。

图4　风载荷纵向力系数 C F x 结果比较(左图压载工况，右图满载工况，下同)

图5　风载荷横向力系数 C F y 试验结果与数值结果对比

图6　风载荷艏摇力矩系数 C Mz试验结果与数值结果对比

图7　风载荷横摇力矩系数 C Mx试验结果与数值结果对比

从图4~图7可看出，风力艏摇力矩系数与横向风力系数的数值计算值与试验值吻合程度最好，其次是纵向风力系数；风力横摇力矩系数在小风向角时吻合很好，大风向角时数据吻合较差。从压载与满载工况看，满载工况下数值结果与试验值吻合最好，压载工况下数值结果与试验值吻合较差。一方面，数值计算时压载的几何模型比满载多出一层曲率复杂的船壳模型，给网格划分和数值计算精度保证带来了更多难度；另一方面，风洞试验时发现，同风速同风向角下，压载船模在吹风时会出现较明显的振动与倾斜变形，增加了测量误差。

1) 对于纵向风力系数：满载工况下，风向角180°时数据误差最大，达到33.92%，其他数据点明显小于该误差值；压载工况下，小风向角时数值结果小于试验结果，大风向角时数值结果大于试验结果(除了180°数据点外)，总体误差结果比满载工况大。

2) 对于横向风力系数：除去数据值接近零的点外，在能够比较的11个数据点中，压载工况有4个点的误差<7%，误差分别是1.08%,2.08%,4.87%和6.32%；满载工况有5个点误差<7%，误差分别是0.91%,1.16%,2.27%,2.28%和6.22%；其他数据点误差较大，但整体上可以认为数值模型对横向风力系数的计算有较高精度。

3) 对于风载荷艏摇力矩系数:满载工况下有5个数据点误差<7%，分别是1.15%，1.30%，3.02%和6.90%,其他数据点误差较大些;压载工况下数据吻合度比满载差，但是曲线的变化趋势(细节)还是吻合很好;可以认为数值模型对艏摇力矩系数的计算也具有较高精度。

4) 对于风载荷横摇力矩系数:在小风向角时吻合很好，其中压载工况下有4个数据点的误差<11%，分别是3.91%,6.73%,8.53%和10.4%；大风向角吹风时，两种数据吻合较差。由于到大风向角下试验船模振动和倾斜会更为明显，横向力偏大，试验误差较大，因此数值结果与之吻合较差。

4上层建筑降阻优化研究

随着绿色船型研究逐步深入，在进行船型开发的同时也在挖掘更多优化空间，风载荷优化研究逐渐走进了业内人士的视野。基于降低风阻、提高航运能效的目的，对该油船上层建筑正迎风面构型进行降阻优化设计。

4.1优化方案设计

该油船原本的上层建筑主体迎风面为平直面(定为方案A)，优化工作主要是对该迎风面形状进行改良。从满足规范和工程应用要求出发，提出了3套迎风面构型的优化方案(见图8)。

方案B：在上层建筑迎风面前添加1个单薄的导流斜板，也可以视为是对在正迎风面和两侧风面角隅处斜切去一小角(此时侧风面相应较大些)。方案C：在上层建筑迎风面和两侧风面角隅处斜切两刀，切成两角。方案D：在上层建筑迎风面和两侧风面角隅处倒圆角，形成弧线过渡。不同方案间，上层建筑的其他结构基本保持一致，但考虑到结构的合理性，某些部位会根据不同优化方案的变化而发生相应的微小改动，如上层建筑翼桥位置在不同方案间稍有变动。

4.2优化结果分析

分别对4套上层建筑方案进行了数值建模计算和模型风洞试验。数值计算中，模型比较理想，降阻效果偏于乐观。风洞试验模型比较复杂，在甲板上添加了许多管道、步桥和肋板等构件，吹风试验时会引起部分紊流、湍流，减阻效果比较真实。

图8　上层建筑正迎风面构型优化方案图

表1左侧列出了数值模型在实船尺寸、相对风速20 m/s工况下4个方案的计算结果。表1右侧数据列出了数值模型在缩尺比为1∶120、相对风速为11 m/s工况下4个方案的计算结果。比较发现，两种工况下，数值计算结果稳定。方案B降阻约为8%，降阻效果较差；方案C降阻约为25%，方案D降阻约为26%，降阻效果较明显。

表1　不同方案的数值计算结果比较

表2为船模在7 m/s，11 m/s和15 m/s风速下风洞室吹风测力的结果数据。试验结果表明:在3个风速下优化方案B降阻1%~3%，降阻不明显；方案C和方案D降阻效果明显且稳定，稳定降阻在15%~18%。

表2　不同方案的风洞试验结果比较

对比结果，考虑存在的误差，基本可以认为试验结果和数值优化结果趋势吻合，优化方案都达到了稳定的降阻效果。

风洞吹风试验时，辅助使用喷烟装置，观察油船上层建筑绕流场在若干关键位置的流场情况，直观地比对4套不同构型的上层建筑在迎风角隅处气流分离的差异情况。图9~图12分别展示了4套方案在试验中和数值模型中的流场情况。

从图9~图12左侧图可看到:试验时从正前方来的烟气流在流经上层建筑正迎面角隅处时发生了分离，原方案A的气流分离最为明显，分离角度最大；方案B气流的分离稍有改善，分离角度略有减小，但分离路径很明显；方案C和方案D气流分离较少，分离角度变小，导流效果较为明显，故降阻幅度较大。从图9~图12的右侧图可看到，数值速度矢量图所模拟的各个方案的气流分离情况和试验喷烟基本吻合，因此也说明了数值模拟对流场细节捕捉的相对准确性。

从船舶绕流风场的特点上分析，在方案A中，当迎面而来的风遭遇到垂直上层建筑平直迎风面时，大部分气流风速骤降，在迎风面形成高压区；一部分气流顺势下坠(或上升)，在迎风面前局部形成旋涡。受平直迎风面的阻挡，气流在绕过迎风面和侧风面的角隅处时被迫分离，向船舶两舷侧高速分流，局部的高速流引起局部压强下降，导致侧风面气流在逆压差下产生气流回流，不同流向的气流混在一起，形成局部旋涡。旋涡的生成、破碎再生成不仅消耗大量能量，而且还加剧后面艉部流场的紊流，使得流场更加复杂，相应的风阻力比较大。

图9　方案A风洞试验喷烟示意图和数值计算速度矢量图(高度 z=14 m处)

图10　方案B风洞试验喷烟示意图和数值计算速度矢量图(高度 z=14 m处)

图11　方案C风洞试验喷烟示意图和数值计算速度矢量图(高度 z=14 m处)

图12　方案D风洞试验喷烟示意图和数值计算速度矢量图(高度 z=14 m处)

优化方案主要着眼于如何使得迎风面有良好的导流效果，使得气流在迎风面和侧风面角隅处尽量减少分离，保持流向一致。在方案C和方案D中，由于迎风面角隅处有较好的削角和倒角处理，使得迎面的气流在角隅处分离较少，流向保持较好，在角隅往后的一大区域内几乎没有形成旋涡，因此这2种方案能够大幅稳定降阻。方案B的轻微削角起到了一定的导风效果，但角隅处的气流分离和随后的旋涡区还是比较明显的，故降阻不明显。

5结语

以一艘5万吨级油船为研究对象，分别对其受风载荷进行了数值模拟计算和风洞试验测量。通过分析比较，得到以下结论：

(1) 风洞测力试验可以得到可靠的船模风载荷系数，但是风洞试验研究成本高，周期长;

(2) 采用合适的CFD手段进行数值模拟计算可以得到较为正确的风载荷系数，随着计算机和CFD技术高速发展，数值模拟方法将得到更广泛的运用;

(3) 所采用的数值模型计算结果与试验结果吻合较好，数值模拟能够满足工程精度要求。

在风载荷优化方面，对该船上层建筑正迎风面构型提出了3套优化方案，通过数值计算和风洞试验的验证比较研究，得到几点结论：

(1) 试验结果和数值结果比较吻合，流场关键位置也显示出相似的细节信息，不同迎风面构型的优化方案都达到一定的降阻效果,验证了数值计算策略的可行性与可靠性;

(2) 迎风面的导流效果是减少风阻力的一个重要因素,通过迎风面和侧风面角隅处的局部简单优化，能够减少气流分离，带来导流效果的大幅改善;

(3) 优化方案C和优化方案D降阻稳定且效果相当,但是从工程建造适用上分析，方案C更为实用，该方案仅对角隅进行削角，便于建造,而方案D需要倒圆弧，加工工艺较复杂。

参考文献：

[1]中国船级社.绿色船舶规范[EB/OL].(2012-08-17)[2014-09-02].http://wenku.baidu.com/view/84dq01c22cc58bd63186bdb2.html.

[2]杨立国,姜国义，杨伟，等.风工程数值模拟中流域分区构造和网格划分新方法的研究与应用[J].建筑科学，2008,24(11)：54-59.

[3]于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京:北京理工大学出版社，2008.