基于STAR-CCM+的海上风电运维母船水动力性能分析

摘" " 要：船舶阻力直接影响船舶的快速性，船舶耐波性直接影响船舶的舒适性，因此需要对二者进行计算分析。本文选取两艘海上风电运维母船作为研究对象，使用STAR-CCM+软件，基于重叠网格和VOF方法建立数值模型，计算船型的静水阻力和在规则波下的运动响应，与物理模型试验结果对比，对船舶的水动力性能做出预报。将两船型的水动力性能进行对比，分析两船型的性能优劣，为运维母船的船型选择提供参考。

关键词：运维母船；CFD；重叠网格；静水阻力；耐波性；STAR-CCM+

中图分类号：U661.1" " " " " " " " " " " " " " " " " 文献标识码：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

近年来，我国海上风电产业快速发展，为保障海上风电场的正常运营，越来越多的风电运维船开始建造使用[1]。在风电发展早期，我国的风电运维船以小型交通型运维艇为主[2]。随着我国海上风电场逐渐向深远海发展，运维船所面临的天气条件和海况更加恶劣，相对较小的船只会造成倾覆的重大风险[3]，交通型运维艇不再满足生产需要，海上风电运维母船应运而生[4]。为应对恶劣的海况环境，确保运维母船的安全，针对此类船舶的船型选择极其重要。基于CFD的水动力性能计算分析可以准确预报船型的快速性与耐波性，在运维母船的设计阶段具有必要性。

目前CFD技术已经越来越多地应用到了船舶的水动力计算当中，基于CFD技术的数值模拟也成为研究风电运维船的重要手段。冯珺[5]使用CFD仿真软件FINE/Marine对双体运维船的阻力性能和水动力性能进行了模拟。曹天舒[6]等使用CFD软件STAR-CCM+对双体运维船的静水阻力进行了模拟分析，得出了片体距离对阻力性能的影响。谢云平[7]等基于CFD技术，分析了抗扭箱对风电运维船航态及阻力性能的影响。熊志鑫[8]等使用STAR-CCM+软件计算了双体船在静水和规则波下的阻力，得出了双体船的阻力系数和波浪增阻系数曲线。

2" " 数值模型

2.1" 计算模型

本文选取64.5 m单体运维母船和66 m双体运维母船作为研究对象。为提高计算效率，采用1：20缩尺比进行数值建模，同时取模型的一半进行仿真计算。将坐标系原点设置在模型重心处，船艏方向为X轴正方向，左舷方向为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向。采用STAR-CCM+建立的数值模型如图1所示，模型主尺度参数见表1。

2.2" "控制方程

本文基于CFD方法研究船舶的水动力性能。在笛卡尔坐标系下，对于三维连续、非定常、不可压缩流体的连续方程和动量方程分别为：

（1）

（2）

式中：ρ为流体密度，kg/m3；

ui、uj为平均速度分量，m/s；

xi、xj为坐标系分量，m；

μ为动力粘性系数，Pa·s；

为雷诺应力项，Pa。

采用SST" k- ω湍流模型，式（3）和式（4）为其表达形式：

（3）

（4）

式中：σk、σω为湍流特朗普数；

、Gω为衍生项；

Yk、Yω为耗散项；

Dω为交叉扩散项。

2.3" "数值水池的建立

流体域建立过程中，考虑到船舶的对称性，取运维船模型的左半部分进行数值模拟计算。计算域尺寸为：-3LPPlt;xlt;2LPP，0lt;ylt;2LPP，-2LPPlt;zlt;LPP。水池的入口、顶部和底部设置为速度进口，侧面设置为对称平面，出口设置为压力出口，船体表面设置为无滑移壁面。同时，数值水池由背景区和重叠区组成，流体区域划分如图2所示。

流体域网格划分如图3所示，网格划分采用自动网格生成器，选择体网格、切割体网格、棱柱层网格等模型。为准确制造波浪及获取物理量，对自由液面和船体表面进行加密处理。为避免船舶运动幅度过大引起的网格变形，运用重叠网格技术求解船体在波浪中航行时的运动响应。在船体表面处设置6层棱柱层网格，对应y+值为40。

3" " 无关性验证分析

3.1" "静水阻力无关性分析

为了提高计算精度和计算效率，对网格尺寸和时间步长进行了无关性分析。选取单体船模型为计算对象，取实船20 kn工况，对应模型航速2.3 m/s。网格细化率取" " ，对网格基础尺寸分别取0.1 m、0.144 m、0.2 m和0.288 m，对应网格总数分别为214万、85万、38万、18万。时间步长取0.003 s、0.005 s、0.01 s、0.02 s、0.04 s。计算结果如图4所示，在取网格基础尺寸为0.141 m、取时间步长为0.005 s时，可以兼顾计算精度和计算效率。

3.2" "耐波性无关性分析

耐波性计算中，网格尺寸和时间步长的选取对造波的准确性会有较大影响，进而影响计算的准确性。选取单体船型为计算对象，取实船零航速、波高2 m工况，对应模型波高0.1 m。对网格基础尺寸分别取0.0707m、0.1 m、0.144 m和0.2 m，对应网格总数分别为 897万、347万、132万、52万。时间步长取0.002s、0.003 s、0.004 s、0.006 s、。计算结果见图5。基于计算结果可得，基础网格尺寸取0.1 m，时间步长取0.003s，可以兼顾计算精度和计算效率。

基于上述无关性分析，对流体域进行网格划分。单体船型网格总数为347万；双体船型网格总数为291万。

4" " 物理模型试验建立

本试验于华南理工大学拖曳水池实验室开展，该水池长 120 m、宽 8 m、深 4 m，拖车最大航速为5 m/s，精度为0.001 m/s。装备摇板式造波机，波浪周期范围为0.4～4 s，规则波最大波高为0.3 m。采用四自由度适航仪测量船模的运动信号，采用拉力计测量船模的阻力信号。为适配水池进行试验，采用1： 20的缩尺比制作船模外壳。使用转动惯量架调整船模的重量重心及转动惯量，使其与数值模型保持一致。船模的安装与试验如图6所示。

5" " "结果对比分析

5.1" "横摇自由衰减分析

横摇阻尼极大地影响了船舶的横稳性，基于CFD方法模拟两船型在初始横倾角为15°时的横摇衰减曲线如图7所示。双体船拥有较大的船体宽度，有着横稳性强纵稳性弱的特点。基于计算结果可以得出单体船的和双体船的横摇衰减周期分别为1.32 s和1.59 s，由此可得两船型的横摇无因次衰减系数分别为0.05和0.067，这说明双体船型的横摇稳定性优于单体船型。同时，横摇无因次衰减系数可为势流计算中横摇附加阻尼的选取提供依据。

5.2" "静水阻力分析

基于模型试验和CFD计算对两船型的阻力性能进行分析。根据工程实际需求，取计算工况为实船8～20 kn，对应傅氏数Fr为0.164～0.407。所得到的静水阻力、纵倾值和升沉值如图8所示。纵摇值取艏倾为正，升沉值取上浮为正。

如图所示，STAR-CCM+模拟得到阻力值与试验值较为契合，单体船型的各航速误差均小于3%，双体船型在高速工况下误差稍大，但各航速的误差均小于9%。这说明CFD计算所得两船型阻力值与试验吻合良好，使用CFD模拟船舶阻力具有较强的可信度。在较低航速下，双体船型的静水阻力值略大于单体船型。但随着航速的增大，单体船型阻力值增长较快，双体船阻力增长较慢，且在0.32lt;Frlt;0.36时出现了明显的阻力下降。为进一步研究双体船型阻力下降原因，将船舶阻力分为摩擦阻力和压差阻力，两种阻力大小如图9所示。可见，双体船型的摩擦阻力随航速的增大稳定增大，压差阻力在较高航速时出现较大波动，此现象由两片体兴波的相互干扰造成，在特定航速下出现了利于阻力性能的有利干扰。

由纵倾角曲线和升沉曲线可见，CFD模拟值与试验结果较为吻合。两船型的纵倾角随航速的增大均稳定增加，其中单体船型的纵倾角更小，说明单体船型具有较优的纵稳性。在Frlt;0.25时，单体船型的升沉值变化较小，在Frgt;0.25时，升沉量变化较大，双体船型的升沉量随航速增大稳定增大。在绝大部分工况下，单体船型的纵摇和升沉幅值均小于双体船型，这说明单体船型在静水环境下的航态更加稳定。

选取两船型实船10 kn、15 kn、19 kn三组航速，截取自由面波形图如图10所示。由波形图可见，在相同航速条件下，双体船型的兴波范围更大。同时，双体船两片体之间形成了兴波干扰，在不同航速下对船体的压差阻力具有较大影响。由上述结果可得，双体船型在静水阻力性能方面更具优势，而单体船在航态方面更具优势。

5.3" "规则波耐波性分析

为简化起见，本文选取单体船型迎浪零航速工况的CFD计算值与水池模型试验值进行对比，用以确定CFD在船舶耐波性耐波性计算中的可靠性。迎浪零航速工况波长取0.5≤λ≤7.1，波高取100 mm。图11为单体船型的纵摇和升沉无因次结果，其中θ为纵摇角，k为波数，ζ为波幅，Z为升沉量。计算结果与试验结果的吻合程度良好，绝大部分工况误差均在8%以内，这说明了STAR-CCM+软件在船舶耐波性计算方面有较强的可靠性。

取实船航速8 kn、10 kn、15 kn（分别对应运维母船的低速、正常航速、高速工况）进行耐波性计算，对应模型航速为0.919 m/s、1.15 m/s、1.724 m/s，波长取0.7≤λ≤2.2，波高取100 mm。图12和图13为迎浪各航速下两船型的纵摇和升沉无因次结果。

从纵摇响应曲线看，单体船型的纵摇响应随波长的增加而增大，双体船则是呈先增大后减小的趋势。同时，单体船型的纵摇响应曲线变化相对平稳顺滑，而双体船型纵摇响应曲线两端的变化速度较快。整体而言，在0.7≤λ≤1.0时，两船型的纵摇响应均较小；在1.0≤λ≤1.6时，单体船型纵摇响应持续增大，双体船型纵摇响应较大，达到响应极值，单体船型运动响应优于双体船型；在1.6≤λ≤2.2时，单体船型纵摇响应趋于稳定，双体船型响应幅值逐渐变小，双体船型运动响应优于单体船型。在升沉响应方面，单体船型的纵升沉响应曲线变化相对平稳顺滑，在中低速双体船型升沉响应曲线在λ≥2.0时出现较快增大，在大部分工况下双体船型的升沉响应幅值小于单体船型。

6" " "结论

1）本文使用基于网格重叠技术的CFD方法预报了运维母船的静水阻力性能和规则波中的运动性能，计算结果与水池试验结果吻合良好，证明了CFD方法预报运维船水动力性能的准确性与稳定性。

2）在静水航行时，双体船型的纵摇和升沉值明显大于单体船型，在航速大于16 kn时，两片体之间形成良性干扰，出现了阻力下降的现象，使得双体船型的静水阻力明显优于单体船型。

3）横摇稳定性上，双体船型优于单体船型。在纵摇稳定性上，单体船型的运动相应较为稳定，双体船型的RAO运动响应曲线变化较为剧烈。

参考文献

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