陳前昆,尹奇志,范愛(ài)龍,嚴(yán)新平,鄭 杰,王 瑞

(1.武漢理工大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院可靠性工程研究所； b.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063； 2.重慶市巴南區(qū)港航管理處，重慶 401320)

基于CFD的某內(nèi)河游船風(fēng)載荷系數(shù)計(jì)算

陳前昆1a,b,尹奇志1a,b,范愛(ài)龍1a,b,嚴(yán)新平1a,b,鄭 杰2,王 瑞1c

(1.武漢理工大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院可靠性工程研究所； b.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063； 2.重慶市巴南區(qū)港航管理處，重慶 401320)

為獲得船舶風(fēng)載荷系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算方法及其在不同風(fēng)向角下的分布規(guī)律，以某內(nèi)河船舶為研究對(duì)象，對(duì)船舶水上結(jié)構(gòu)表面風(fēng)場(chǎng)風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同風(fēng)向角下的風(fēng)載荷系數(shù)，將計(jì)算結(jié)果與Fujiwara和Blendermann方法對(duì)比,結(jié)果表明，k-εRealizable湍流模型在計(jì)算風(fēng)載荷系數(shù)時(shí)準(zhǔn)確度較高；隨著風(fēng)向角變化，船舶風(fēng)載荷系數(shù)變化較大；所采用的數(shù)值計(jì)算方法及網(wǎng)格形式可較好預(yù)報(bào)游輪風(fēng)阻力。

內(nèi)河游船；風(fēng)載荷系數(shù)；數(shù)值模擬；流場(chǎng)分析

隨著國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，IMO)提出的新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)(energy efficiency design index，EEDI)及營(yíng)運(yùn)能效指數(shù)(energy efficiency operational index，EEOI)等通函的逐步實(shí)施[1]，船舶節(jié)能減排成為船東、船廠以及船舶設(shè)計(jì)工作者關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。船舶在航行中所受阻力根據(jù)介質(zhì)的不同可以分為風(fēng)阻力和水阻力。船舶風(fēng)阻力在總阻力中比重雖小，但是其對(duì)船舶推進(jìn)性能、船舶操縱性能也有較大的影響。同時(shí)，隨著綠色船型設(shè)計(jì)研究的逐步深入，為更多挖掘優(yōu)化空間，提高能效以適應(yīng)EEDI的需求，船舶風(fēng)阻優(yōu)化逐漸得到船東和航運(yùn)企業(yè)的關(guān)注，風(fēng)阻研究對(duì)船舶航行安全和減阻降耗都至關(guān)重要[3-7]。

當(dāng)前，理論分析法、風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD方法是研究船舶風(fēng)阻的主要方法。理論分析的結(jié)果一般帶有普遍性，需要抽象和簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)象才能得到理論解。風(fēng)洞試驗(yàn)雖然能得到真實(shí)、可靠的試驗(yàn)結(jié)果，但其操作周期性長(zhǎng)、費(fèi)用高、操作復(fù)雜，而且還不能直觀地觀察流場(chǎng)。相比之下，CFD數(shù)值模擬方法則能成功彌補(bǔ)上述兩種方法的不足，費(fèi)用少，重復(fù)性好，而且可以模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布及其周?chē)目臻g流場(chǎng)情況[8-10]。

利用CFD方法進(jìn)行風(fēng)載荷計(jì)算方面，在研究對(duì)象上，從最初的一些小型帆船，到后來(lái)逐步向大型油船、集裝箱船和LNG船等船型發(fā)展；在研究?jī)?nèi)容上，學(xué)者在利用數(shù)值模擬方法開(kāi)展計(jì)算時(shí)，對(duì)不同船型的計(jì)算策略，也都進(jìn)行了較為全面和深入的探索[11-13]。然而，CFD方法在對(duì)游輪這一船型上的研究極少，不同船型之間CFD方法的計(jì)算策略可能會(huì)有較大差異，且游船載客量大，其安全性備受矚目。本文以具有代表性的某內(nèi)河游船為研究對(duì)象，基于CFD方法對(duì)對(duì)象船舶進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探索不同網(wǎng)格劃分形式，不同湍流模型對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)比經(jīng)驗(yàn)公式與數(shù)值模擬方法的計(jì)算結(jié)果，并分析船舶數(shù)值流場(chǎng)信息，為游輪風(fēng)阻力及力矩的精確計(jì)算提供參考。

1 船舶風(fēng)載荷系數(shù)與經(jīng)驗(yàn)公式

1.1 船舶風(fēng)載荷和風(fēng)載荷系數(shù)

風(fēng)載荷對(duì)于船舶的影響，主要體現(xiàn)在增加其在航行過(guò)程中的風(fēng)阻力上，在對(duì)船舶風(fēng)載荷的研究中，主要關(guān)注船舶水線以上結(jié)構(gòu)所受到的縱向力、橫向力和艏搖力矩，見(jiàn)圖1。

圖1 船舶風(fēng)載荷示意

為使風(fēng)阻的計(jì)算結(jié)果便于在不同船舶尺寸和不同風(fēng)速風(fēng)向下進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得到的風(fēng)阻力通常以經(jīng)過(guò)處理的無(wú)量綱系數(shù)表示，該系數(shù)直接決定了船舶受風(fēng)阻力大小，如下式所示[14]。

(1)

(2)

(3)

式中:CX、CY、CN——縱向、橫向風(fēng)載荷系數(shù)、艏搖力矩系數(shù)；

ρ——空氣密度;

LOA——船長(zhǎng);

AL、AT——船舶正縱、正橫時(shí)的受風(fēng)面積。

1.2 經(jīng)驗(yàn)公式

目前計(jì)算風(fēng)載荷系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式主要有：Isherwood方法、Blendermann方法、OCIMF公式、Fujiwara方法、范·伯利柯姆公式等，從中選擇普遍認(rèn)為具有較高精度的Fujiwara和Blendermann方法作為對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的參照[15-18]。

2 數(shù)值模型

2.1 船型參數(shù)及計(jì)算模型

選取內(nèi)河一艘游船為算例進(jìn)行風(fēng)載荷系數(shù)研究，其主尺度列于表1，典型工況選為滿載。

表1 對(duì)象船舶主尺寸 m

利用FLUENT前處理軟件GAMBIT進(jìn)行建模?？紤]到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，幾何建模時(shí)對(duì)受風(fēng)阻影響較小的構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型見(jiàn)圖2。

圖2 對(duì)象船舶幾何模型

2.2 計(jì)算域設(shè)置及網(wǎng)格劃分

根據(jù)國(guó)際拖曳水池會(huì)議(international towing tank conference，ITTC)臨時(shí)規(guī)程，在研究網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響時(shí)，至少要采用密度不同的三套網(wǎng)格。本算例建立三套網(wǎng)格，設(shè)置形式見(jiàn)表2。

表2 三套網(wǎng)格的基本情況

為方便計(jì)算不同風(fēng)向角下的風(fēng)載荷系數(shù)，在對(duì)模型進(jìn)行流域構(gòu)造時(shí)，將計(jì)算域分成內(nèi)域和外域，船舶模型置于內(nèi)域中，將內(nèi)域設(shè)計(jì)成圓柱體形，能?chē)@其軸心做任意角度旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖3。

圖3 流域及網(wǎng)格設(shè)置示意

在網(wǎng)格劃分時(shí)，采用混合網(wǎng)格以提高計(jì)算精度：內(nèi)域模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；外域結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

2.3 湍流模型及邊界條件

目前湍流數(shù)值模擬方法分為直接數(shù)值模擬(DNS)、雷諾平均N-S方程(RANS)和大渦模擬(LES)三種。從結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐的角度看，DNS與LES方法計(jì)算量巨大，限于計(jì)算機(jī)條件的約束，不適用于工程應(yīng)用，現(xiàn)有數(shù)值模擬一般采用基于時(shí)間平均的雷諾平均方(RANS)法[19]。 RANS 方法中湍流模型的選取是數(shù)值模擬的核心問(wèn)題，然而湍流模型或多或少都帶有一定的經(jīng)驗(yàn)成分，因此在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，需要進(jìn)一步探討湍流模型的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，剩余設(shè)置項(xiàng)為：選擇壓力基求解器和SIMPLEC算法進(jìn)行速度壓力耦合，對(duì)流項(xiàng)采用精度較高的二階迎風(fēng)離散格式，計(jì)算域入口為速度入口，空氣出口為壓力出口，船舶結(jié)構(gòu)表面為壁面邊界條件，流域其他邊界采用對(duì)稱邊界。

3 數(shù)值計(jì)算影響因素分析

以船舶正迎風(fēng)工況為例，以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果為參照，對(duì)比不同網(wǎng)格劃分形式和不同湍流模型對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響。

3.1 網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

按照控制變量的原則，在計(jì)算過(guò)程中暫時(shí)選定湍流k-εrealizable模型。分別在相對(duì)風(fēng)速為10和15 m/s下，對(duì)三套網(wǎng)格分別進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表3。

表3 三種網(wǎng)格形式數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表3可以看出，網(wǎng)格1的劃分比較粗糙，且流域偏小，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差較大，而網(wǎng)格2和3計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式比較接近，在相對(duì)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)阻力系數(shù)基本保持穩(wěn)定。

3.2 湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

基于RANS方法的湍流模型包括：①Spalart-Allmaras 模型；②k-ω模型，包括k-ωRealizable、k-ωStandard和k-ωRNG；③k-ω模型，包括k-ωRealizable和SSTk-ω；④雷諾應(yīng)力模型(RSM)。

以網(wǎng)格2為算例，在相對(duì)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 三種湍流模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由以上對(duì)基于RANS的7種湍流模型進(jìn)行計(jì)算對(duì)比后可以看出，k-εRealizable模型與k-εStandard模型的計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值最為接近，且兩種模型的收斂時(shí)間較其余幾種收斂時(shí)間短，效果最好；而k-ε模型中，RNG模型在計(jì)算阻力值時(shí)出現(xiàn)振蕩，Realizable和Standard模型的計(jì)算結(jié)果相差很小，但前者收斂時(shí)間短，收斂性更好，更具參考價(jià)值。根據(jù)上述分析與對(duì)比，為縮短計(jì)算時(shí)間，提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度，網(wǎng)格劃分選擇第2種設(shè)置形式，湍流模型選擇k-εRealizable模型。

4 不同風(fēng)向角下計(jì)算結(jié)果對(duì)比及分析

4.1 CFD計(jì)算流場(chǎng)分布

對(duì)船模在0°～180°，間隔角為10°的不同風(fēng)向角下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從中選取θ=0°、60°、90°和120°共4個(gè)風(fēng)向角下的計(jì)算結(jié)果，其壓力云圖和流場(chǎng)分布見(jiàn)圖4～7。當(dāng)船舶行駛方向與相對(duì)風(fēng)向相反，即θ=0°時(shí)，船舶流場(chǎng)流線變化均勻且分布較為對(duì)稱，見(jiàn)圖4。

圖4 0°風(fēng)向角下的流線和壓力分布

當(dāng)船舶行駛方向與相對(duì)風(fēng)向的夾角θ=60°和120°時(shí)，船體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的流場(chǎng)分布不再對(duì)稱。迎風(fēng)側(cè)的流線密集，壓力大；背風(fēng)側(cè)流線稀疏，壓力小。在船體艉部和艏部裝有尖角部位的背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)旋渦，并與其他的氣流相互纏繞，見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 60°風(fēng)向角下的流線和壓力分布

圖6 120°風(fēng)向角下的流線和壓力分布

當(dāng)船行駛方向與相對(duì)風(fēng)向垂直，即θ=90°時(shí)，背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)流向封閉環(huán)繞且尺寸較大的旋渦，見(jiàn)圖7。

圖7 90°風(fēng)向角下的流線和壓力分布

4.2 風(fēng)載荷系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

將經(jīng)驗(yàn)公式和CFD計(jì)算得到的CX、CY、CN進(jìn)行對(duì)比分析，如圖所示，CX隨風(fēng)向角的增大整體變化趨勢(shì)比較凌亂，這與對(duì)象船舶艏艉結(jié)構(gòu)不對(duì)稱有關(guān)；CY隨風(fēng)向角度變化平緩，在60°和120°附近達(dá)到最大值；艏搖力矩系數(shù)CN同樣變化平緩，在40°和140°附近絕對(duì)值取得最大值。

圖8 縱向風(fēng)載荷系數(shù)隨風(fēng)向角度的變化

圖9 橫向風(fēng)載荷系數(shù)隨風(fēng)向角度的變化

圖10 艏搖力矩系數(shù)隨風(fēng)向角度的變化

對(duì)以上計(jì)算結(jié)果，利用歐氏距離量化經(jīng)驗(yàn)公式與CFD計(jì)算結(jié)果間的相似程度，歐氏距離值越小表示吻合度越高。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 經(jīng)驗(yàn)公式與CFD計(jì)算結(jié)果的歐氏距離

由表5可見(jiàn)，在計(jì)算縱向風(fēng)載荷系數(shù)時(shí)，F(xiàn)ujiwara公式與CFD相似度最高；而在計(jì)算橫向風(fēng)載荷系數(shù)與艏搖力矩系數(shù)時(shí)，Blendermann方法與CFD結(jié)果相似度最高?？傮w來(lái)看，3種計(jì)算方法具有很好的吻合度。

5 結(jié)論

1)對(duì)不同湍流模型進(jìn)行船舶風(fēng)載荷系數(shù)計(jì)算，對(duì)比分析表明，k-εRealizable模型的計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值最接近。因此在對(duì)內(nèi)河游輪風(fēng)阻計(jì)算中推薦采用k-εRealizable湍流模型。

2)船體上層建筑的風(fēng)載荷系數(shù)隨風(fēng)向角變化較大，由CFD方法獲得的船舶在不同風(fēng)向角下的流場(chǎng)分布可知，風(fēng)向角度及上層建筑的鈍體程度對(duì)船舶背風(fēng)側(cè)的風(fēng)場(chǎng)分布影響較大。

3)CFD計(jì)算方法與Blendermann方法和Fujiwara方法吻合良好，計(jì)算精度能滿足工程實(shí)際應(yīng)用要求。采用的 CFD 計(jì)算策略及網(wǎng)格形式可較好預(yù)報(bào)游輪風(fēng)阻力。

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Research on Wind Load Coefficients of an Inland Cruise Ship Based on CFD

CHEN Qian-kun1a,b, YIN Qi-zhi1a,b, FAN Ai-long1a,b, YAN Xin-ping1a,b, ZHENG Jie2, WANG Rui1c

(1a. Reliability Engineering Institute, School of Energy and Power Engineering;b. Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology (Ministry of Communications);c. School of Energy and Power Engineering; Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Chongqing Harbor and Waterway Management Bureau, Chongqing 401320, China)

In order to obtain the accurate calculation methods of wind load coefficient and its distribution under different wind direction angle, an inland cruise ship is chosen as a research object whose wind field pressure distribution and wind load coefficients are simulated by means of computational fluid dynamics, and the numerical results are compared with those of Fujiware and Blendermann method. The results show that the model ofκ-εRealizable has a high accuracy; wind load coefficients vary greatly with the coming wind angles; and the method of numerical computation adopted in this paper can accurately calculate the wind load of the inland cruise ship.

Inland ship; wind load coefficients; numerical simulation; flow field analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.005

2015-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(51279149)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域課題(20120143130002)；武漢理工在大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目(2015ND-B1-08)

陳前昆(1989-)，男，碩士生

U633.2

A

1671-7953(2015)06-0018-05

修回日期：2015-07-10

研究方向:船舶風(fēng)阻

E-mail: qkchen_whut@163.com