船舶風(fēng)載荷研究方法的對比分析

船舶風(fēng)載荷研究方法的對比分析

船舶的負(fù)荷對船舶的航行性能和操縱性能有顯著影響。在船舶港口作業(yè)、駁船頂推作業(yè)、船舶港口系泊和動力定位等特殊工況下,船舶風(fēng)載荷的影響更顯重要。同時,隨著綠色船型研究逐步深入,IMO提出的新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)的逐步實(shí)施,風(fēng)載荷研究越來越多地走進(jìn)業(yè)內(nèi)人士的視野。首先總結(jié)船舶風(fēng)載荷的主要研究方法與研究現(xiàn)狀,并以一艘5萬噸級油輪為研究對象,對船舶風(fēng)載荷不同計(jì)算方法進(jìn)行算例計(jì)算和比較分析。1風(fēng)壓、船模和風(fēng)壓系數(shù)的回歸公式風(fēng)洞試驗(yàn)是將加工制造出的縮尺物理模型置于特定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)(實(shí)驗(yàn)室能模擬滿足一定條件的風(fēng)環(huán)境),通過測力天枰、壓力傳感器、噴霧拍照等設(shè)備和技術(shù)測量出模型的受力情況,并提供測量點(diǎn)的流場信息。風(fēng)洞試驗(yàn)是目前獲得風(fēng)載荷最為準(zhǔn)確的方法,但是具有試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長等缺點(diǎn),對每一條船均進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)是不切實(shí)際的。在工程應(yīng)用中,涉及到船舶風(fēng)載荷的估算時大多會使用各類經(jīng)驗(yàn)公式。至今,國內(nèi)外許多學(xué)者提出了多種風(fēng)載荷的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。在國內(nèi),湯忠谷在風(fēng)洞中對13條定型船模進(jìn)行了風(fēng)壓試驗(yàn),測定了海船上層建筑風(fēng)壓系數(shù)及風(fēng)壓中心位置,并歸納出風(fēng)壓橫傾力矩的回歸公式;洪碧光選擇了50條船模風(fēng)壓系數(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為回歸樣本,采用5個易于得到的基本船型系數(shù),得出一種由船型數(shù)據(jù)來估算風(fēng)壓系數(shù)的新方法。國外,Isherwood對風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,提出了計(jì)算船舶風(fēng)壓力系數(shù)和風(fēng)壓力矩系數(shù)的回歸公式,該方法對多種船型適用,并可以計(jì)算全風(fēng)向角工況;Gould設(shè)計(jì)一套用于預(yù)報(bào)船舶上層建筑風(fēng)力和風(fēng)力矩的數(shù)值計(jì)算程序,討論了有效相對風(fēng)速問題,并提出了指數(shù)風(fēng)剖面模擬公式;VanBerlekom根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù),分別研究了油船、集裝箱船及滾裝船不同風(fēng)向角下的迎風(fēng)風(fēng)力系數(shù),提出基于迎風(fēng)風(fēng)力系數(shù)的船舶迎風(fēng)風(fēng)阻力計(jì)算公式,即范·伯利柯姆公式;Blendermann提供了一組系統(tǒng)、全面的船舶風(fēng)載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù),并推導(dǎo)了船舶縱向風(fēng)力、橫向風(fēng)力、艏搖力矩和橫傾力矩的計(jì)算公式,他還提出關(guān)于使用風(fēng)洞數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)非均勻流風(fēng)載荷的修正方法;OCIMF提供了一套計(jì)算超大型油輪的計(jì)算方法,給出了不同球鼻艏和不同載況下的風(fēng)載荷系數(shù),還提到該風(fēng)載荷的經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算流程在計(jì)算較小型的油船時仍能夠有一定的精度;M.R.Haddara使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出一套計(jì)算船舶風(fēng)載荷的通用計(jì)算公式;ToshifumiFujiwara通過逐步多元回歸分析,提出一套計(jì)算船舶風(fēng)載荷的計(jì)算公式。1.3風(fēng)場數(shù)值模擬策略余力指出目前用于計(jì)算船舶風(fēng)力的風(fēng)力系數(shù)一般取自經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是,隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展,基于風(fēng)洞試驗(yàn)原理,結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics,CFD)理論的數(shù)值建模計(jì)算研究越來越受到學(xué)者們的關(guān)注。較之傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn),數(shù)值模擬有以下特點(diǎn):(1)成本低,所需周期短、效率高;(2)不受模型尺度影響,可以進(jìn)行全尺度模擬;(3)方便變化各種參數(shù),便于進(jìn)行多方案對比,利用研究。Ignazio等采用CFD方法對帆船進(jìn)行風(fēng)場數(shù)值研究,以既有的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托,針對不同湍流模型、不同網(wǎng)格尺度進(jìn)行了阻力和升力的計(jì)算結(jié)果比較,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算能夠滿足一定的工程精度,通過比較發(fā)現(xiàn)realizablek-epsilon湍流模型和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果更加吻合;JamesS.Forrest對simplefrigateshape(SFS)的風(fēng)場進(jìn)行數(shù)值建模,采用非定常計(jì)算策略,對時間步長的選取做了敏感性分析,比較了CFD模型縮尺尺寸和實(shí)船尺寸間的區(qū)別;呂紅探討了大型艦船氣流場數(shù)值模擬策略,分析了氣流場分布規(guī)律,并進(jìn)一步探討了海浪和風(fēng)聯(lián)合作用情況下的艦船氣流場數(shù)值模擬策略;曾向明等,選取6種形狀的風(fēng)帆,利用某大學(xué)的低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室對其進(jìn)行風(fēng)洞靜力五分量的測力試驗(yàn),獲得相應(yīng)的空氣動力學(xué)特性;趙強(qiáng)利用CFD數(shù)值計(jì)算工具對一集裝箱船水線以上部分(含集裝箱)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果和范·伯利柯姆方法進(jìn)行了比較,數(shù)值計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式吻合較好。2不同計(jì)算方法的驗(yàn)證以一艘5萬噸級油船(船長183.2m,型寬32.2m,型深18.2m,設(shè)計(jì)航速15kn)為研究對象,分別對其在給定工況下的受風(fēng)載荷進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)測量、經(jīng)驗(yàn)公式估算和數(shù)值模擬兩類方法的計(jì)算,對比分析計(jì)算結(jié)果,比較不同計(jì)算方法的有效性。以風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù),著重分析選用的經(jīng)驗(yàn)公式估算精度,旨在通過對比分析,了解經(jīng)驗(yàn)公式的有效性,比較不同經(jīng)驗(yàn)公式的精度差異,為工程進(jìn)行風(fēng)載荷估算提供借鑒。2.1z軸側(cè)向水下使用固定在船體上的右手坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點(diǎn)固結(jié)在船舯剖面、中縱剖面和水線面相交位置,x軸指向艏部,y軸指向右舷,z軸指向水下。船舶正迎面為0°風(fēng)向角,風(fēng)向角逆時針旋轉(zhuǎn)。在工程應(yīng)用中,比較關(guān)心船舶在風(fēng)場中所受到的縱向力Fx、橫向力Fy、艏搖力矩Mz,便于比較,將其轉(zhuǎn)換為無量綱化系數(shù),相應(yīng)的風(fēng)力(矩)系數(shù)定義如下:式(1)~式(3)中:ρ為空氣密度;V為相對風(fēng)速;LOA為船舶總長;AF為船舶水上部分正面投影面積;AL為船舶水上部分側(cè)向投影面積。2.2船模與盤顯示的裝置設(shè)計(jì)測力試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞完成。該風(fēng)洞是一座閉口回流式矩形截面風(fēng)洞,試驗(yàn)段尺寸:寬為3m、高為2.5m、長為15m,試驗(yàn)風(fēng)速為0.5~68m/s連續(xù)可調(diào)。試驗(yàn)船模設(shè)計(jì)為可以拼接的分塊剛體模型,船模形狀與船?？s尺比為1∶120(見圖1)。為模擬水面以及消除天平、連接件等對氣流的干擾,設(shè)計(jì)了測力系統(tǒng)支架。該支架由十字形鋼板、近似橢圓形有機(jī)玻璃薄板以及兩者之間的支架組成,在試驗(yàn)中被安裝在風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤上。船模呈水平狀態(tài)安裝于風(fēng)洞中,與支架分離,由安裝在轉(zhuǎn)盤上的六分量應(yīng)變天平支撐(作用在船模上的氣動力由該天平測量)。船模與轉(zhuǎn)盤可以在風(fēng)洞室控制下進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn),從而進(jìn)行不同風(fēng)向角工況下的測試。測量時設(shè)定風(fēng)向角從0°~180°每隔15°為一檔進(jìn)行吹風(fēng)測力試驗(yàn)。2.3風(fēng)力系數(shù)公式選用3種常用的,普遍認(rèn)為具有較高精度的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行算例計(jì)算。Fujiwara等人分析包含船體、舵、螺旋槳和上層建筑的模型在風(fēng)浪中的受力情況。模型的風(fēng)致載荷使用式(4)~式(6)計(jì)算,公式由船模的風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)船的主尺參數(shù)給出。式(4)~式(6)中:CX(ψ)、CY(ψ)和CN(ψ)分別為船舶縱向風(fēng)力系數(shù)、橫向風(fēng)力系數(shù)和艏搖力矩系數(shù)。在縱向風(fēng)力系數(shù)公式中,F′LF為縱向流阻力(longitudinal-flowdrag),F′XLI為升力及誘導(dǎo)阻力(liftandinduceddrag),F′ALF為縱向附加阻力(additionallongitudinaldrag);在橫向風(fēng)力系數(shù)公式中,F′CF為橫向流阻力,F′YLI為升力及誘導(dǎo)阻力。C為船側(cè)受風(fēng)動壓力中心到船舯的水平距離;ψ為相對風(fēng)向角。2.3.2船舶風(fēng)荷載系數(shù)估算公式Blendermann通過模型的風(fēng)洞試驗(yàn),整理出一套系統(tǒng)的風(fēng)載荷數(shù)據(jù)。從一系列不同船型的風(fēng)洞數(shù)據(jù)分析中,Blendermann提出了船舶風(fēng)載荷系數(shù)估算公式:式(7)~式(9)中:CX、CY和CM分別為船舶縱向風(fēng)力系數(shù)、橫向風(fēng)力系數(shù)和艏搖力矩系數(shù);ε為相對風(fēng)向角,AT為船舶水上部分正面投影面積;AL為船舶水上部分側(cè)向投影面積;SL代表船舶側(cè)面受風(fēng)面積形心到船舯剖面的水平距離。參數(shù)CDT、CDL和δ的取值可以在相應(yīng)文獻(xiàn)中找到。2.3.3風(fēng)荷載分量系數(shù)-風(fēng)向角曲線OCIMF在報(bào)告中詳細(xì)闡述了超大型油船的風(fēng)載荷計(jì)算步驟,給出了船舶風(fēng)載荷系數(shù)在不同風(fēng)向角、不同載況(滿載和壓載)下的曲線圖(風(fēng)載荷分量系數(shù)-風(fēng)向角曲線,見圖2)。報(bào)告中還比較了常規(guī)的“V”型艏與比較飽滿的“U”型艏在風(fēng)載荷系數(shù)上的差異。經(jīng)驗(yàn)公式中的風(fēng)力(力矩)系數(shù)的數(shù)據(jù)來自60年代在密歇根大學(xué)進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)。文中還提到,該風(fēng)載荷的經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算流程在計(jì)算較小型的油船時仍能夠有一定的精度。2.4網(wǎng)格劃分及邊界條件首先在GAMBIT軟件中完成幾何建模。建模時,把實(shí)船中對風(fēng)載荷影響很小的構(gòu)件進(jìn)行省略或簡化。最終數(shù)值幾何模型見圖3(a)。參考新的方法對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及流域構(gòu)造,該方法參考了物理風(fēng)洞原理,如圖3(b),將計(jì)算域分成內(nèi)域和外域,內(nèi)、外域交界面通過interface邊界進(jìn)行信息傳遞。船模置于內(nèi)域中,將內(nèi)域設(shè)計(jì)成圓柱體形,能圍繞其軸心做任意角度旋轉(zhuǎn)。數(shù)值計(jì)算時,只需進(jìn)行一次流域構(gòu)造、網(wǎng)格劃分和邊界條件定義,即可實(shí)現(xiàn)任意多風(fēng)向角工況的計(jì)算,大大減小了建模的工作量。船模表面網(wǎng)格采用三角形pave劃分,結(jié)構(gòu)角隅處加密處理,使用尺寸函數(shù)進(jìn)行體網(wǎng)格加密(見圖4)。整體上,在近域使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格形式,遠(yuǎn)域使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格形式。以壓載工況為例,最終網(wǎng)格總數(shù)536.9萬個,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格361.7萬個,占網(wǎng)格總數(shù)的67.37%,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格質(zhì)量較好,網(wǎng)格的偏斜率>0.75的僅有116個,在網(wǎng)格總數(shù)中幾乎可以忽略。在船體及上層建筑表面使用無滑移邊界條件(wall邊界),流域空氣入口選用velocity-inlet邊界,空氣出口選用pressure-outlet邊界,流域其他邊界采用symmetry邊界。定常計(jì)算,并選擇realizableκ-ε兩方程湍流模型配合非平衡壁面函數(shù)。船模分別在壓載和滿載載況下、風(fēng)向角從0°~180°每隔15°為一檔進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。2.5計(jì)算結(jié)果比較將計(jì)算結(jié)果按照式(1)~式(3)分別進(jìn)行無量綱化后,根據(jù)不同風(fēng)向角與不同載況(壓載和滿載)整理成風(fēng)載荷系數(shù)曲線圖(見圖5~圖7)。限于篇幅,僅對11m/s風(fēng)速下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析,經(jīng)驗(yàn)公式估算和數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)值吻合程度都比較好。其中,風(fēng)力艏搖力矩系數(shù)與橫向風(fēng)力系數(shù)的吻合程度更好些。2.5.1經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)結(jié)果的比較從圖5~圖7可以總結(jié)出,滿載工況下,數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)值吻合度較好;壓載工況下,數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)值吻合度較差。原因是:(1)數(shù)值計(jì)算時,壓載的幾何模型比滿載多出了一層曲率復(fù)雜的船殼模型,給網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算精度的保證帶來更多的難度;(2)風(fēng)洞試驗(yàn)時,壓載工況的船模比滿載工況船模結(jié)構(gòu)復(fù)雜,增加了測量誤差。在本算例中,經(jīng)驗(yàn)公式對船?？v向風(fēng)力系數(shù)CFx的預(yù)報(bào)在各個風(fēng)向角都偏低,特別是壓載順風(fēng)(180°)時,經(jīng)驗(yàn)公式值誤差最大;相比而言,日本的Fujiwara給出的經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。經(jīng)驗(yàn)公式對船模橫向風(fēng)力系數(shù)CFy的預(yù)報(bào)上,風(fēng)向角在60°~120°的預(yù)報(bào)值,各個經(jīng)驗(yàn)公式之間、壓載和滿載之間的差異比較明顯。在壓載工況下,Fujiwara和OCIMF的經(jīng)驗(yàn)公式值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好;在滿載工況下,只有Fujiwara的經(jīng)驗(yàn)公式值與試驗(yàn)結(jié)果吻合度最好,其他的經(jīng)驗(yàn)公式值與試驗(yàn)值偏差較大。比較而言,Fujiwara的經(jīng)驗(yàn)公式在對本船的橫向風(fēng)力系數(shù)CFy預(yù)報(bào)較準(zhǔn)確。經(jīng)驗(yàn)公式對船模風(fēng)載荷艏搖力矩系數(shù)CMz的預(yù)報(bào)上,壓載工況下的預(yù)報(bào)比滿載工況下的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。壓載工況中,Fujiwara和OCIMF的經(jīng)驗(yàn)公式值與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合;滿載工況中,經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)報(bào)結(jié)果不夠理想。整體而言,在本算例中,認(rèn)為日本的Fujiwara等人提出的經(jīng)驗(yàn)公式在預(yù)報(bào)上述風(fēng)載荷系數(shù)時,結(jié)果比較準(zhǔn)確,能夠滿足研究及工程精度要求。3cfd有效性驗(yàn)證首先介紹了船舶風(fēng)載荷的主要研究方法與研究現(xiàn)狀,并以一艘5萬噸級油輪為算例對象,分別對其受風(fēng)載荷進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)測量、經(jīng)驗(yàn)公式估算和數(shù)值模擬兩類方法的計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果兩兩對比分析,比較不同計(jì)算方法的有效性。通過分析比較,得到以下結(jié)論:1.風(fēng)洞試驗(yàn)可以得到可靠的船模風(fēng)載荷系數(shù),但是研究成本高,周期長。2.采用合適的CFD手段