基于CFD方法的LNG FSRU船浅水效应分析

杨春华，严孝钦，翁振勇，陈晓莹，袁红良

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)



基于CFD方法的LNG FSRU船浅水效应分析

杨春华，严孝钦，翁振勇，陈晓莹，袁红良

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

为了保证大型LNG FSRU船在浅水区航行的安全，采用水动力计算方法分析大型LNG FSRU船在浅水区域航行时，船体周围水流分布、船体阻力、船舶下蹲及艏艉纵倾变化的规律，与模型试验相比，CFD方法具有时间短、成本低的优势；与经验公式法相比，CFD方法充分考虑船舶线型对流场的影响，更为合理。

浅水效应；LNG FSRU；船舶下蹲；CFD计算

近年来，大型浮式LNG接收终端FSRU(floating storage regasification unit)船型得到较快发展。大型LNG FSRU一般设置在近岸浅水区域，在躲避台风时，需要快速离港。而我国各大港口存在普遍水深不足的现象。 对浅水航行的大型LNG FSRU船而言，船舶下蹲以及船舶纵倾变化的计算是涉及其航行安全的重要问题。浅水效应受船体线型、水深、航速等因素的影响。

2.2 我国胸痛中心改进方向 欧洲心脏病学学会（ESC）于 2012年和美国心脏病学学会基金会（ACCF）／美国心脏协会（AHA）于2013年发布的STEMI管理指南均提出缩短 FMC-to-B时间［32-33］。这个时间点包括了部分院前急救时间，由此心肌梗死的救治由院内急救提前到院前急救。

深水航行的船舶，水流在船体周围呈现三维空间的流动；而浅水航行的船舶，由于船体与海床之间空间狭窄，船底、船艏和船艉受到空间的限制，船底水流受到空间的挤压，流速显著增加，从而导致船底部水流压力降低，进而导致船体下沉，船体与海床之间的距离缩短。船舶速度越高，船体下蹲值越大，船舶纵倾变化加剧，船舶产生触底、搁浅的可能性就越大[1]。

近年来，对低航速、方型系数Cb集中在0.60～0.75之间的小型船舶浅水效应已有大量的理论研究实例[2-3]，对大型船舶的研究相当有限。随着造船技术的高速发展，船舶大型化成为市场发展的趋势之一，为降低超大型船舶进港或在浅水航行时触底、搁浅的风险，对超大型船舶浅水效应的研究仍十分必要。因此，基于大型LNG FSRU三维模型，并通过CFD三维水动力计算方法探讨超大型LNG FSRU船的浅水效应。

1　浅水效应计算方法

估算船舶浅水航行下沉量的计算有3种方法：①数值计算法，利用CFD分析进行计算机数值估算；②通过浅水船模试验进行估算；③采用经验公式进行估算。

应用CFD数值计算的方法评估船舶浅水效应，可以充分考虑船舶在浅水航行时阻力变化，充分考虑了船型对浅水效应的影响，不足之处是需要首先建立精确的3D流体计算模型及网格划分，网格划分的精确与否直接影响计算结果[2]；模型试验的方法是估算船舶浅水效应的有效方法之一，不足之处是，模型试验费用昂贵，评估浅水效应时间较长，实际应用较少；应用经验公式是估算船舶浅水效应最为快速和便捷的估算方法，不足之处是经验公式往往不能考虑船型、船体阻力等问题，具有较大的局限性。所以，当前估算船舶浅水效应比较流行的是采用CFD计算法和经验公式估算法。这里，采用CFD计算及1974年Hooft提出的开敞水域浅水估算经验公式2种方法对大型LNG FSRU船在开敞浅水区域航行时浅水效应进行估算，并对估算结果进行对比分析。

2　LNG FSRU船型计算参数

以某大型LNG FSRU为目标船型，其主尺度见表1，外观见图1。

②船舶在航行过程中保持自由升沉。

3　估算浅水效应

从CFD计算结果可以看出，对于大型LNG FSRU船型，航速越高，船底距海底间隙越小，船舶浅水下蹲量越大，见表2和图7；船艏吃水下蹲UKCS为船底距水底间隙；h为水深；Td为设计吃水。

CFD计算采用瑞典FLOWTECH公司的Ship-flow软件，该软件能够完善地解决船舶阻力计算的问题，同时此软件在浅吃水、狭窄航道等方面也有一定的应用[4-6]。

唯一参照物比较判断法是以序关系法为基础的一种计算权重的算法。要求专家在所有评价指标中挑选一个且仅有一个最不重要的指标，再将其他指标的重要程度和此指标做理性判断的比较，建立映射函数并进行定量计算。

表1　LNG FSRU船型主尺度

图1　LNG FSRU外观效果

CFD计算须对船体表面及自由面进行网格划分，船体表面以四边形网格为主，辅以少量的三角形网格，而自由面全部采用4边形网格。船体网格分为艏部、主体、双艉鳍及船艉4部分，在艏艉及曲率变化较大区域网格进行加密；自由面网格则是在靠近船体表面的区域进行加密，二者总计22 767个网格，见图2。

图2　CFD计算模型及网格划分

各评价指标及其所反映的效益特征之间应存在内在联系，相互联系的指标体系才能全面反映生态清洁小流域建设的综合效益。

①船舶在无风无浪情况下匀速航行。

来到中军帐瞭望台，远远地就看到了王宝生，他正站在屋外拿着对讲机汇报情况，看见记者到来，他笑着挥手致意。

奔倾漱石亦喷苔，此是便随元化来。长片挂岩轻似练，远声离洞咽于雷。气含松桂千枝润，势画云霞一道开。直是银河分派落，兼闻碎滴溅天台。

根据表3艏吃水下蹲计算结果，给出LNG FSRU浅水航行船艏吃水限制见图8。

总之，政协制度在发挥群众路线制度化功能方面独一无二。政协对各种力量的涵盖性、参政议政议题的广泛性，远远超过西方任何上议院。政协广开言路所营造融洽和谐、生动活泼的政治局面，避免了西方三权分立那种互相倾轧的恶性争斗与无序混乱。政协的设置是中国绝无仅有的，它体现了中华文化团结包容的生命力和社会主义中国充满生机的政治创造力。当前要从以下 3个方面去进一步强化人民政协的工作，充分发挥政协制度作为践行群众路线的基础制度的功能。

④不考虑狭窄航道的影响，只计及浅水效应。

对灌浆速率（GRmean）而言，整体表现为外缘籽粒的灌浆速率高于中部籽粒和内部籽粒，并有籽粒平均灌浆速率（外缘、中部、内部籽粒的平均值）随着密度的增加而降低，随着深松深度减小呈下降趋势；其中以深松S45处理、密度D1下的灌浆平均灌浆速率最大为0.446，浅旋耕处理RT、密度D3下的最低为0.267。

⑤考虑对称性，只对半船进行计算。

⑥选取5个水深、5个航速状态进行分析。

⑦采用模型尺寸进行模拟以降低计算成本，比例为1∶30。

3.2计算参数

选择LNG FSRU设计吃水Td=11.44 m，从2～6 m，间隔1 m分别设置5个船底距水底间隙UKCS值；航速Vs从6～14 kn，间隔2 kn设置5个航速Vs。

根据表4艉吃水下蹲计算结果，给出LNG FSRU浅水航行船艏吃水限制见图9。

通过CFD计算，得到船舶在不同条件下全船压力分布及波形，并得到艏、艉下沉量及纵倾变化，截取8 kn航速-水深波形见图3，波形轮廓见图4～6。

教师向学生说明：第一个通过确凿的实验证据向遗传物质是蛋白质的观点发起挑战的是美国科学家艾弗里，而艾弗里的实验又是建立在格里菲斯的实验基础之上。这样从而引入格里菲斯的肺炎双球菌的体内转化实验。

图3　8 kn航速-水深波形变化

图4　LNG FSRU深水航行(水深吃水比h/Td>20)波形轮廓

图5　LNG FSRU浅水航行(水深吃水比h/Td=1.4)波形轮廓

图6　LNG FSRU浅水航行(水深吃水比h/Td=1.2)波形轮廓

3.1CFD计算模型及边界条件

表2　FSRU平均吃水下蹲计算结果　m

图7　LNG FSRU平均吃水下蹲变化

量大于船艉吃水下蹲量，主要原因是浅水航行时艏部流场速度变化比艉部流场速度变化大，导致LNG FSRU在浅水航行时艏部压力降低加剧，从而出现船艏下蹲加剧现象。

③不考虑螺旋桨对船舶运动产生的影响。

Shipflow软件默认边界条件的设定，也可以根据需要进行更改，主要包括进流、出流、对称面、边界面等。假定条件如下。

表3　FSRU船艏吃水下蹲计算结果　m

图8　LNG FSRU浅水航行船艏吃水限制

3.3计算结果

表4　FSRU船艉吃水下蹲计算结果　m

图9　LNG FSRU浅水航行船艉吃水变化

4　CFD与经验公式方法计算对比

估算船舶浅水效应比较著名的是Tuck和Taylor提出的近似计算公式， Hooft在Tuck提出的计算公式基础上简化下沉系数Cz和CΘ，给出如下开敞水域浅水船艏下沉计算公式。

2）将OA办公系统引入具体工作中。OA办公系统是一种由计算机技术支持的办公管理系统。与传统的办公模式不同，OA办公系统，没有大量的纸质文件，一切办公活动都通过计算机进行。将OA办公系统引入管理工作中可以有效减少相关工作人员的工作强度，提高办公精度。同时可以避免一些工作人员的违规操作。

(1)

式中：Sb——船艏下沉量；

Lpp——船舶垂线间长；

▽——船舶排水体积；

Frh——水深傅汝德数。

(2)

其中：Vs——航速，m/s；

h——水深，m。

应用上述Hooft提出的经验公式估算LNG FSRU浅水效应，得到船艏下蹲数据见表5。

表5　FSRU船艏吃水下蹲计算结果　m

比较发现，2种方法得到的船舶下蹲变化趋势一致，见图10；在水深满足h/Td=1.22时，2种方法计算得到的吃水下蹲值基本相同；在水深满足h/Td<1.22时，CFD方法计算得到吃水下蹲值比较大，CFD方法计算结果偏保守；在水深满足h/Td>1.22时，经验公式计算得到吃水下蹲值比较大，经验公式方法计算结果偏保守。

图10　CFD方法与经验公式对比

5　结论

1)船速越高，船底距海底间隙越小，船舶浅水的下蹲量越大。

2)船舶兴波受水深影响明显，相同航速时，水深越小，兴波越大。

3)水深越小，航速越高，艏倾越大。

4)经验公式的计算结果与CFD结果在数值上基本一致，反应出来的变化趋势也相同。

5)掌握FSRU浅水航行时艏吃水、艉吃水及纵倾变化，对后续实际营运时，保证船舶通行浅水时的安全方面具有一定的现实指导意义。

CFD计算方法在工程上的应用还有待实际项目的检验，以及模型试验数据的大量积累。在当前阶段，采用CFD数值分析的方法对各船型浅水效应的评估具有广阔的适用性。

[1] 招定友，船舶浅水效应的研究[J].天津航海，2009(2)：4-6.

[2] JACEK JACHOWSKI, Assessment of ship squat in shallow water using CFD[J]. Archives of civil and mechanical engineering,2008,8(1)：27-36.

[3] 高高.大方形系数双尾船浅水下沉量与纵倾计算[J].船海工程，2007，36(6)：15-17.

[4] 雷涛.浅水航行船舶下沉量的确定[J].船海技术，2002(2)：2-4.

[5] 周华兴.关于深水、浅水与限制航道界定的探讨[J].水运工程，2006(1)：53-58.

[6] 张大有.关于浅水影响及其改善技术[J].船海工程，2006(1)：1-4.

Shallow Water Effect Analysis of LNG FSRU Carrier Based on CFD Calculation Method

YANG Chun-hua, YAN Xiao-qin, WENG Zhen-yong, CHEN Xiao-ying, YUAN Hong-liang

(Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co. Ltd, Shanghai 200129, China)

To ensure the safe navigation of large LNG FSRU in shallow water area, the CFD calculation method is applied to assess the water flow distribution, ship resistance variation, ship squat and ship trim variation around the hull of LNG FSRU when navigation in shallow water area. Comparing with the model test method, the CFD calculation method spends less time and cost. While comparing with the empirical formula method, the CFD calculation method is more reasonable because of fully considering the hull line effect to the flow distribution around the vessel.

shallow water effect; LNG FSRU; ship squat; CFD calculation method

2015-12-23

2016-03-15

国家发改委FSRU研发及产业化项目(发改办高技【2015】1409号)

杨春华(1983—)，男，学士，工程师

U662

A

1671-7953(2016)04-0006-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.002

研究方向:船舶总体设计

E-mail:ych021@163.com