20000DWT散货船风载荷数值计算及上层建筑降阻优化

周传明， 董国祥， 高玉玲

(上海船舶科学运输研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 200135)

20000DWT散货船风载荷数值计算及上层建筑降阻优化

周传明， 董国祥， 高玉玲

(上海船舶科学运输研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 200135)

为预估船舶遭受的风载荷、并对其上层建筑进行降阻优化，基于一艘20 000 DWT江海直达型散货船，采用Realizablek-ε湍流模型，结合上层建筑的布置设计，分析目标船型的风绕流场，计算不同风向角下的风载荷系数。将计算结果与Blender方法和OCIMF方法相对比，结果表明数值计算方法具有一定的可行性和可靠性。根据该船上层建筑的形状和整体布置进行优化构型，设计3种不同的优化方案进行数值分析对比，最终确定低风阻上层建筑的方案。该方案的上层建筑形式可使船舶在0°～30°风向角处，迎风阻力减少13%～27%。

散货船； 风载荷； 数值计算； 风阻优化

0 引 言

随着船舶逐渐大型化，船舶水面以上结构逐渐增大，导致受风面积增大，原本占船舶总阻力较小比例的空气阻力也随之增大。在遇到恶劣风况时，空气载荷会对船舶的航行安全及航行轨迹产生重要影响，尤其是对稳性的影响受到越来越多的重视。因此，不管是从能效提升的角度还是从航行安全的角度来看，对空气阻力进行计算和优化都是必要的。

当前已有很多学者对船舶风载荷进行深入研究。ISHERWOOD[1]使用多元回归分析方法对11艘不同船型的风洞试验数据进行分析得到回归公式，该公式如今仍有一定的参考意义。BLENDER[2]提出船舶纵向力、横向力艏摇力矩及横摇力矩的计算公式，并提出关于适用风洞试验数据预报非均匀流风载荷的修正方法。OCIMF[3]根据密歇根大学的风洞试验数据，归纳出不同工况下的风载荷系数经验值。FUJIWARA[4]在ISHERWOOD方法基础上，基于逐步多元回归分析方法，计入风剖面的修正，提出船舶风载荷的经验公式。汤忠谷等[5]对13艘海船模型进行风洞试验，得到风压横倾力矩的回归公式。洪碧光[6]对50艘船模的风洞试验结果进行回归分析，基于基本船型系数提出由船型系数估算风压系数的经验公式。

在船舶的风阻研究方法中：风洞试验方法成本高，试验周期长；经验公式方法依赖于回归分析时所参照的船型，对已有船型的风载荷估计有较好的计算结果，但对改进型船舶缺乏适应性；数值计算方法因具有高效性及较高的准确性，得到了快速发展。

VIOLA[7]基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法计算帆船的风流场，比较不同湍流模型和不同网格尺度的计算结果，得到在适当的网格尺度下，Realizable k-epsilon湍流模型计算结果更贴近试验值。FORREST等[8]采用非结构网格结合数据加密标准(Data Encryption Standard, DES)方法计算护卫舰气流场，计算结果表明包含大气边界层速度剖面的CFD计算结果更贴近全尺度实船数据。蔡文山等[9]采用数值计算与模型试验的方法对50 000吨级成品油船的风载荷系数进行对比研究。

主要研究20 000 DWT散货船风载荷的数值计算及风载荷系数随风向角的变化趋势，基于Fluent软件，采用Realizablek-ε模型对风载荷流场进行模拟，并与Blender方法和OCIMF方法的结果相对比，验证数值方法的准确性和可靠性。在此基础上，提出3种不同的上层建筑迎风面结构布置形式，以达到降阻增效的目的。同时，对比3种优化方案与原型的风载荷系数的大小关系，分析其压力云图、速度矢量图和流线图的差异，找到最佳的上层建筑布置形式。

1 计算原理和模型

1.1风阻计算的数值方法

船舶在航行过程中所遇到的风速均远小于声速，所以可将空气视为不可压缩流体，满足质量守恒方程和动量守恒方程。

(1)

(2)

(3)

(4)

表1 船舶主要参数

式(1)～式(4)中：ρ为空气的密度；p为空气的压力；μ为空气的动力黏性系数；u,v,w分别为风速在直角坐标x方向、y方向和z方向上的分量形式。

采用有限体积法对控制方程进行离散，选择基于压力的求解器，并结合Realizablek-ε湍流方程，壁面函数选取非平衡壁面函数(Non-Equilibrium Wall Function，NEWF)，湍流动能方程和湍流耗散比率均采用二阶迎风格式，速度和压力耦合采用SIMPLEC算法。

边界条件设置为：进口选取速度入口，出口采用压力出口，在船体和上层建筑表面采用无滑移的壁面条件，其余边界采用对称边界，既能体现真实流场的无边界特性，又利于计算收敛[9]。

1.2计算模型

研究对象为20 000 DWT双尾鳍江海直达型散货船，计算采用模型尺寸，模型的缩尺比为1∶25.332 1，船舶主要参数见表 1。坐标系采用笛卡尔右手坐标系，坐标原点O位于船体水线面、中横剖面及中纵剖面的交点，x轴水平指向船首，y轴水平指向左舷，z轴垂直向上。采用软件Gambit对船舶水上部分进行建模，并进行计算域及网格的划分，调整船舶与风向的夹角，选取风向角0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°。由于在超过临界雷诺数之后不同速度下的风载荷无因次系数近似相等，因此选取该类型船舶运营中较为常见的速度10 m/s，基于Fluent进行风阻计算，求解沿船长方向的受力Fx，沿船宽方向的受力Fy及沿z轴的艏摇力矩Mz。

计算模型见图 1，选取船舶设计吃水时的水面以上部分，包括水面以上的船壳、上层建筑、艏楼和舱口盖等。考虑到计算结果中各个部件对计算结果的比重，省略对风阻影响较小构件，如镂空围栏、吊机架及缆绳等。

在计算域的设置上，为尽量降低边界对计算结果的影响，计算域设为足够大的长方体，边界距船首6倍船长，距船尾9倍船长，距船舷两侧3倍船长，距罗经甲板1.5倍船长。为计算在不同风向角下的风阻及减少建模的工作量，将计算域分为内域和外域，两者通过交界面的边界条件定义接触和处理计算过程中的数据交换，内域设置为圆柱体，可绕其轴心任意角度旋转，以计算不同风向角的载荷(见图2a和图2b)。在网格划分上，内域靠近船体周围的部分采用以四面体为主的非结构化网格，其余部分则采用结构化网格。网格总量为460万个，其中计算核心区的非结构化网格340万个，偏斜度>0.85的网格有19个，网格质量优良。

2 计算结果及分析

2.1计算结果表达形式

为便于在不同船舶类型、船舶尺寸和风速等变化要素之间作对比，采用无量纲系数的表示形式，无量纲系数定义为

(5)

(6)

(7)

式(5)和式(6)中：CFx，CFy，CMz分别为纵向风载荷系数、横向风载荷系数和艏摇力矩系数，风载荷系数示意见图3；Fx，Fy，Mz分别为风载荷纵向力、风载荷横向力和风载荷艏摇力矩；ρ为空气密度，ρ=1.225 kg/m3；V为计算风速，10 m/s；LOA为船舶总长；AT为船舶水上部分在yOz平面上的投影面积；AL为船舶水上部分在xOz平面上的投影面积。

2.2原型数值计算结果与经验公式计算结果对比分析

目前计算风载荷系数的经验公式主要有Fujiwara方法、Blender方法和OCIMF法等，这里选取应用较广泛且结果较可靠的Blende方法及OCIMF方法进行计算并与数值计算结果相对比，验证数值计算的可行性和可靠性。

原型数值计算结果与2种经验公式的计算结果对比见图4。

由图4可知，数值计算结果与经验公式计算结果具有较好的一致性，曲线走势相似。在纵向力系数和横向力系数上，数值计算结果与OCIMF法结果更为接近；在艏摇力矩系数上，风向角<90°时3种方法的结果有一定差异而风向角>90°时3种方法的结果贴合较好。总体来看，数值模拟计算能达到预期的效果，结果较为可靠。

横向力系数CFy在风向角为0°和180°时接近于0，由0°到90°逐渐增大，由90°到180°逐渐减小，在90°时作用在船体上的横向力达到最大值;艏摇力矩CMz随着风向角从0°到180°的变化趋势为先减小后增大，在风向角为0°和180°时接近于0，在约120°时幅值达到最大；纵向力系数CFx在90°风向角处接近于0，在风向角<90°时，CFx<0，与船舶行进方向相反，表现为阻力，在风向角>90°时，CFx>0，与船舶行进方向相同，表现为推力。因此，为优化船舶阻力，只需设法降低风向角<90°时的风载荷即可。

2.3计算流场细节分析

原型方案的流场细节见图5。由图5a可知，高压力区位于迎风面处；由图5b和图5c可知，上层建筑后方产生旋涡；由图5d可知，艏楼处和上层建筑背风处均产生旋涡。

从流场细节来看，流体在遇到上层建筑的垂直迎风面时速度会骤降并会向四周分流，向下在舱口盖与垂直壁处产生旋涡，向上越过罗经甲板继续向后高速流动，并在上层建筑后方回流产生比较大的旋涡如图5b所示；向左右绕过上层建筑的2个角隅后向后高速分流，并在角隅后方形成漩涡如图5c所示。这是由于空气黏性的作用，导致物体表面产生流动分离现象，背风面因为流速较低，引起的压力差使流体发生回流现象。

3 上层建筑优化设计与数值计算

3.1上层建筑优化设计

这里选用3种优化方案进行计算，在保留足够生活空间的同时，对直角处进行导流优化。原型方案及3种优化方案示意分别见图6和图7，优化方案1与原型相比只是在上层建筑迎风面角隅处进行斜切处理；方案2是对上层建筑迎风面角隅处进行倒角处理；方案3是在方案2的基础上对生活区及烟囱的背风面处进行倒角处理。4种方案的正投影面积和侧投影面积是一致的。

3.2不同优化方案计算与结果对比分析

在保证计算策略一致的前提下，选取0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°等7个风向角，速度取10 m/s，对每个风向角下的船舶阻力系数进行计算，结果见图8。

1) 对于纵向力系数CFx，优化方案1与原型方案的计算结果较为接近，优化效果并不理想。优化方案2和优化方案3在风向角<60°时与原型方案的计算结果相比有明显减小，减小幅度达到15%～20%，表明减阻效果较为理想；在风向角>120°时，方案2和方案3的风载荷与原型方案的计算结果相比都出现增大的现象，方案2的增幅更大，但此时船体所受风载荷的方向与船舶行进方向一致，风载荷表现为推力，此时风载荷越大，优化效果越好。综上所述，无论是在风向角为0°～60°时的减阻效果，还是在120°～180°时的推力增加效果，优化方案2整体的效果最好。

2) 对于横向力系数CFy，从趋势上来看，优化方案3的计算结果与原型方案相比整体偏小；优化方案1与原型方案的计算结果较为接近；优化方案2的计算结果在风向角<90°时比原型方案略大，风向角>90°时又比原型方案小。3种优化方案的计算结果与原型方案相比均没有明显的增大或减小，幅度均<10%。

3) 对于艏摇力矩系数CMz，0°～180°区间内优化方案3与原型方案相比整体上均减小，优化方案1和优化方案2在90°之前比原型方案增大，在90°以后比原型方案减小。从均衡性和避免出现极端情况的角度来看，优化方案2的效果较为理想。

风载荷主要在0°风向角及30°风向角时对船舶阻力影响较大，因此减阻效果主要是看这2处风向角的减阻幅值。4种方案的减阻效果见表2。由表4可知，相比于原型方案的计算结果，3种优化方案均有不同程度的降阻效果，其中优化方案2在0°～30°风向角处的降阻幅度达13%～27%，有较好的减阻效果。

表2 优化方案减阻效果

3.3计算流场对比分析

0°风向角和90°风向角下4种方案的压力云图见图9和图10。由图9和图10可知：靠近迎风面一侧压力较大，背风面一侧压力较小；相比于原型方案，优化方案的高压区面积明显减小，且在迎风面的角隅处因为导流的作用使速度增加而产生一定的低压区。

不同风向角下4种方案的流线图及矢量图见图11～图15。由图11～图15可知：空气在遇到船体迎风面时速度降低明显，且有向上抬升及向两边绕流的趋势；在角隅处由于绕流速度增大而出现一定的负压，从而发生流线分离及产生旋涡；相比于原型方案，优化方案的流体分离角及背风面的旋涡明显减小。

4 结 语

20 000 DWT江海直达型散货船为研究对象，以降阻增效为目标，对其上层建筑的风载荷进行数值研究。通过与经验公式计算的结果相对比及对设计的3种优化方案进行计算分析，得到以下结论：

1) 利用数值方法计算船舶风载荷具有一定的可靠性和准确性，不仅可得到定量的结果，同时对流场细节的分析有助于对降阻机理进行研究，便于优化上层建筑形式。

2) 不同风向角对船舶风载荷的影响不同，对上层建筑进行局部优化构型可显著减少纵向风载荷系数和艏摇力矩系数。

3) 在对上层建筑进行优化设计时，合理的导流设计可有效降低风阻，达到节能的目的。

[1] ISHERWOOD R M. Wind Resistance of Merchant Ships[J]. The Royal Institution of Naval Architects, 1972:327-338.

[2] BLENDERMANN W. Parameter Identification of Wind Loads on Ships[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1994, 51(3): 339-351.

[3] OCIMF. Oil Companies International Marine Form Prediction of Wind and Curront Loads on VLCCS[C]. London: Witherby Co.,Ltd., 1994.

[4] FUJIWARA T, UENO M, NIMURA T. An Estimation Method of Wind Forces and Moments Acting on Ships[C]//Mini symposium on prediction of ship manoeuvring performance. 2001: 83-92.

[5] 汤忠谷, 施立人. 水面船舶的空气动力[J]. 武汉水运工程学院学报, 1982(4): 78-89.

[6] 洪碧光. 船舶风压系数计算方法[J]. 大连海运学院学报, 1991, 17(2): 113-121.

[7] VIOLA I M. Downwind Sail Aerodynamics: A CFD Investigation with High Grid Resolution[J]. Ocean Engineering, 2009, 36(12): 974-984.

[8] FORREST J S, OWEN I. An Investigation of Ship Airwakes Using Detached-Eddy Simulation[J]. Computers & Fluids, 2010, 39(4): 656-673.

[9] 蔡文山, 董国祥, 杨春勤, 等. 船舶风载荷数值计算及风洞试验[C]∥中国力学学会.第二十五届全国水动力学研讨会暨第十二届全国水动力学学术会议文集 (上册). 北京：海洋出版社，2013.

WindLoadSimulationsof20000DWTBulkCarrierandResistanceReductionOptimizationofSuperstructure

ZHOUChuanming,DONGGuoxiang,GAOYuling
(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135，China)

Researches on wind load is attracting growing interesting for energy saving and navigation safety. To predict the wind load of a 20 000 DWT bulk carrier and optimize its superstructure arrangements, this paper analyzes the wind flow field surrounding the carrier and calculates the wind load coefficient under various wind attack angles with the Realizablek-εmodel. The results are compared with that obtained by means of Blender method and OCIMF method, and the feasibility and reliability of the proposed method are verified. Three optimized superstructure plans are investigated through simulation. The best plan is expected to reduce wind resistance by 13%～27% under the wind of the attack angle within the range of 0°～30°.

bulk carrier; wind load; simulation; resistance reduction optimization

2016-10-08

周传明(1992—)，男，江苏沛县人，硕士生，从事船舶水动力研究。

1674-5949(2017)02-0006-06

U661.4；U663.6

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