船舶風載荷研究方法的對比分析

船舶風載荷研究方法的對比分析

船舶的負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提出的新船能效設計指數(shù)(EEDI)的逐步實施,風載荷研究越來越多地走進業(yè)內(nèi)人士的視野。首先總結(jié)船舶風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,對船舶風載荷不同計算方法進行算例計算和比較分析。1風壓、船模和風壓系數(shù)的回歸公式風洞試驗是將加工制造出的縮尺物理模型置于特定實驗室內(nèi)(實驗室能模擬滿足一定條件的風環(huán)境),通過測力天枰、壓力傳感器、噴霧拍照等設備和技術測量出模型的受力情況,并提供測量點的流場信息。風洞試驗是目前獲得風載荷最為準確的方法,但是具有試驗成本高、試驗周期長等缺點,對每一條船均進行風洞試驗是不切實際的。在工程應用中,涉及到船舶風載荷的估算時大多會使用各類經(jīng)驗公式。至今,國內(nèi)外許多學者提出了多種風載荷的計算經(jīng)驗公式。在國內(nèi),湯忠谷在風洞中對13條定型船模進行了風壓試驗,測定了海船上層建筑風壓系數(shù)及風壓中心位置,并歸納出風壓橫傾力矩的回歸公式;洪碧光選擇了50條船模風壓系數(shù)的風洞試驗數(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)來估算風壓系數(shù)的新方法。國外,Isherwood對風洞試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,提出了計算船舶風壓力系數(shù)和風壓力矩系數(shù)的回歸公式,該方法對多種船型適用,并可以計算全風向角工況;Gould設計一套用于預報船舶上層建筑風力和風力矩的數(shù)值計算程序,討論了有效相對風速問題,并提出了指數(shù)風剖面模擬公式;VanBerlekom根據(jù)風洞試驗的數(shù)據(jù),分別研究了油船、集裝箱船及滾裝船不同風向角下的迎風風力系數(shù),提出基于迎風風力系數(shù)的船舶迎風風阻力計算公式,即范·伯利柯姆公式;Blendermann提供了一組系統(tǒng)、全面的船舶風載荷試驗數(shù)據(jù),并推導了船舶縱向風力、橫向風力、艏搖力矩和橫傾力矩的計算公式,他還提出關于使用風洞數(shù)據(jù)預報非均勻流風載荷的修正方法;OCIMF提供了一套計算超大型油輪的計算方法,給出了不同球鼻艏和不同載況下的風載荷系數(shù),還提到該風載荷的經(jīng)驗公式和計算流程在計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)絡技術提出一套計算船舶風載荷的通用計算公式;ToshifumiFujiwara通過逐步多元回歸分析,提出一套計算船舶風載荷的計算公式。1.3風場數(shù)值模擬策略余力指出目前用于計算船舶風力的風力系數(shù)一般取自經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式和風洞試驗數(shù)據(jù)。但是,隨著計算機的不斷發(fā)展,基于風洞試驗原理,結(jié)合計算流體力學(ComputationalFluidDynamics,CFD)理論的數(shù)值建模計算研究越來越受到學者們的關注。較之傳統(tǒng)的風洞試驗,數(shù)值模擬有以下特點:(1)成本低,所需周期短、效率高;(2)不受模型尺度影響,可以進行全尺度模擬;(3)方便變化各種參數(shù),便于進行多方案對比,利用研究。Ignazio等采用CFD方法對帆船進行風場數(shù)值研究,以既有的風洞試驗數(shù)據(jù)為依托,針對不同湍流模型、不同網(wǎng)格尺度進行了阻力和升力的計算結(jié)果比較,驗證了數(shù)值計算能夠滿足一定的工程精度,通過比較發(fā)現(xiàn)realizablek-epsilon湍流模型和風洞試驗結(jié)果更加吻合;JamesS.Forrest對simplefrigateshape(SFS)的風場進行數(shù)值建模,采用非定常計算策略,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,并進一步探討了海浪和風聯(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種形狀的風帆,利用某大學的低速風洞實驗室對其進行風洞靜力五分量的測力試驗,獲得相應的空氣動力學特性;趙強利用CFD數(shù)值計算工具對一集裝箱船水線以上部分(含集裝箱)進行CFD數(shù)值模擬,計算結(jié)果和范·伯利柯姆方法進行了比較,數(shù)值計算結(jié)果和經(jīng)驗公式吻合較好。2不同計算方法的驗證以一艘5萬噸級油船(船長183.2m,型寬32.2m,型深18.2m,設計航速15kn)為研究對象,分別對其在給定工況下的受風載荷進行風洞試驗測量、經(jīng)驗公式估算和數(shù)值模擬兩類方法的計算,對比分析計算結(jié)果,比較不同計算方法的有效性。以風洞試驗結(jié)果為依據(jù),著重分析選用的經(jīng)驗公式估算精度,旨在通過對比分析,了解經(jīng)驗公式的有效性,比較不同經(jīng)驗公式的精度差異,為工程進行風載荷估算提供借鑒。2.1z軸側(cè)向水下使用固定在船體上的右手坐標系,坐標原點固結(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°風向角,風向角逆時針旋轉(zhuǎn)。在工程應用中,比較關心船舶在風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),相應的風力(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計測力試驗在同濟大學風洞試驗室TJ-2大氣邊界層風洞完成。該風洞是一座閉口回流式矩形截面風洞,試驗段尺寸:寬為3m、高為2.5m、長為15m,試驗風速為0.5~68m/s連續(xù)可調(diào)。試驗船模設計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,設計了測力系統(tǒng)支架。該支架由十字形鋼板、近似橢圓形有機玻璃薄板以及兩者之間的支架組成,在試驗中被安裝在風洞轉(zhuǎn)盤上。船模呈水平狀態(tài)安裝于風洞中,與支架分離,由安裝在轉(zhuǎn)盤上的六分量應變天平支撐(作用在船模上的氣動力由該天平測量)。船模與轉(zhuǎn)盤可以在風洞室控制下進行360°旋轉(zhuǎn),從而進行不同風向角工況下的測試。測量時設定風向角從0°~180°每隔15°為一檔進行吹風測力試驗。2.3風力系數(shù)公式選用3種常用的,普遍認為具有較高精度的經(jīng)驗公式進行算例計算。Fujiwara等人分析包含船體、舵、螺旋槳和上層建筑的模型在風浪中的受力情況。模型的風致載荷使用式(4)~式(6)計算,公式由船模的風洞試驗和實船的主尺參數(shù)給出。式(4)~式(6)中:CX(ψ)、CY(ψ)和CN(ψ)分別為船舶縱向風力系數(shù)、橫向風力系數(shù)和艏搖力矩系數(shù)。在縱向風力系數(shù)公式中,F′LF為縱向流阻力(longitudinal-flowdrag),F′XLI為升力及誘導阻力(liftandinduceddrag),F′ALF為縱向附加阻力(additionallongitudinaldrag);在橫向風力系數(shù)公式中,F′CF為橫向流阻力,F′YLI為升力及誘導阻力。C為船側(cè)受風動壓力中心到船舯的水平距離;ψ為相對風向角。2.3.2船舶風荷載系數(shù)估算公式Blendermann通過模型的風洞試驗,整理出一套系統(tǒng)的風載荷數(shù)據(jù)。從一系列不同船型的風洞數(shù)據(jù)分析中,Blendermann提出了船舶風載荷系數(shù)估算公式:式(7)~式(9)中:CX、CY和CM分別為船舶縱向風力系數(shù)、橫向風力系數(shù)和艏搖力矩系數(shù);ε為相對風向角,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的取值可以在相應文獻中找到。2.3.3風荷載分量系數(shù)-風向角曲線OCIMF在報告中詳細闡述了超大型油船的風載荷計算步驟,給出了船舶風載荷系數(shù)在不同風向角、不同載況(滿載和壓載)下的曲線圖(風載荷分量系數(shù)-風向角曲線,見圖2)。報告中還比較了常規(guī)的“V”型艏與比較飽滿的“U”型艏在風載荷系數(shù)上的差異。經(jīng)驗公式中的風力(力矩)系數(shù)的數(shù)據(jù)來自60年代在密歇根大學進行的風洞試驗。文中還提到,該風載荷的經(jīng)驗公式和計算流程在計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,把實船中對風載荷影響很小的構(gòu)件進行省略或簡化。最終數(shù)值幾何模型見圖3(a)。參考新的方法對模型進行網(wǎng)格劃分及流域構(gòu)造,該方法參考了物理風洞原理,如圖3(b),將計算域分成內(nèi)域和外域,內(nèi)、外域交界面通過interface邊界進行信息傳遞。船模置于內(nèi)域中,將內(nèi)域設計成圓柱體形,能圍繞其軸心做任意角度旋轉(zhuǎn)。數(shù)值計算時,只需進行一次流域構(gòu)造、網(wǎng)格劃分和邊界條件定義,即可實現(xiàn)任意多風向角工況的計算,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、風向角從0°~180°每隔15°為一檔進行數(shù)值計算。2.5計算結(jié)果比較將計算結(jié)果按照式(1)~式(3)分別進行無量綱化后,根據(jù)不同風向角與不同載況(壓載和滿載)整理成風載荷系數(shù)曲線圖(見圖5~圖7)。限于篇幅,僅對11m/s風速下的計算結(jié)果進行比較分析,經(jīng)驗公式估算和數(shù)值模擬結(jié)果與風洞試驗值吻合程度都比較好。其中,風力艏搖力矩系數(shù)與橫向風力系數(shù)的吻合程度更好些。2.5.1經(jīng)驗公式與試驗結(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)果與試驗值吻合度較好;壓載工況下,數(shù)值結(jié)果與試驗值吻合度較差。原因是:(1)數(shù)值計算時,壓載的幾何模型比滿載多出了一層曲率復雜的船殼模型,給網(wǎng)格劃分和數(shù)值計算精度的保證帶來更多的難度;(2)風洞試驗時,壓載工況的船模比滿載工況船模結(jié)構(gòu)復雜,增加了測量誤差。在本算例中,經(jīng)驗公式對船?？v向風力系數(shù)CFx的預報在各個風向角都偏低,特別是壓載順風(180°)時,經(jīng)驗公式值誤差最大;相比而言,日本的Fujiwara給出的經(jīng)驗公式與試驗結(jié)果吻合較好。經(jīng)驗公式對船模橫向風力系數(shù)CFy的預報上,風向角在60°~120°的預報值,各個經(jīng)驗公式之間、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)驗公式值與風洞試驗結(jié)果吻合度較好;在滿載工況下,只有Fujiwara的經(jīng)驗公式值與試驗結(jié)果吻合度最好,其他的經(jīng)驗公式值與試驗值偏差較大。比較而言,Fujiwara的經(jīng)驗公式在對本船的橫向風力系數(shù)CFy預報較準確。經(jīng)驗公式對船模風載荷艏搖力矩系數(shù)CMz的預報上,壓載工況下的預報比滿載工況下的預報準確。壓載工況中,Fujiwara和OCIMF的經(jīng)驗公式值與試驗結(jié)果較為吻合;滿載工況中,經(jīng)驗公式的預報結(jié)果不夠理想。整體而言,在本算例中,認為日本的Fujiwara等人提出的經(jīng)驗公式在預報上述風載荷系數(shù)時,結(jié)果比較準確,能夠滿足研究及工程精度要求。3cfd有效性驗證首先介紹了船舶風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,分別對其受風載荷進行了風洞試驗測量、經(jīng)驗公式估算和數(shù)值模擬兩類方法的計算,將計算結(jié)果兩兩對比分析,比較不同計算方法的有效性。通過分析比較,得到以下結(jié)論:1.風洞試驗可以得到可靠的船模風載荷系數(shù),但是研究成本高,周期長。2.采用合適的CFD手段