楊春華，嚴(yán)孝欽，翁振勇，陳曉瑩，袁紅良

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

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基于CFD方法的LNG FSRU船淺水效應(yīng)分析

楊春華，嚴(yán)孝欽，翁振勇，陳曉瑩，袁紅良

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

為了保證大型LNG FSRU船在淺水區(qū)航行的安全，采用水動(dòng)力計(jì)算方法分析大型LNG FSRU船在淺水區(qū)域航行時(shí)，船體周圍水流分布、船體阻力、船舶下蹲及艏艉縱傾變化的規(guī)律，與模型試驗(yàn)相比，CFD方法具有時(shí)間短、成本低的優(yōu)勢；與經(jīng)驗(yàn)公式法相比，CFD方法充分考慮船舶線型對流場的影響，更為合理。

淺水效應(yīng)；LNG FSRU；船舶下蹲；CFD計(jì)算

近年來，大型浮式LNG接收終端FSRU(floating storage regasification unit)船型得到較快發(fā)展。大型LNG FSRU一般設(shè)置在近岸淺水區(qū)域，在躲避臺(tái)風(fēng)時(shí)，需要快速離港。而我國各大港口存在普遍水深不足的現(xiàn)象。 對淺水航行的大型LNG FSRU船而言，船舶下蹲以及船舶縱傾變化的計(jì)算是涉及其航行安全的重要問題。淺水效應(yīng)受船體線型、水深、航速等因素的影響。

2.2 我國胸痛中心改進(jìn)方向 歐洲心臟病學(xué)學(xué)會(huì)（ESC）于 2012年和美國心臟病學(xué)學(xué)會(huì)基金會(huì)（ACCF）／美國心臟協(xié)會(huì)（AHA）于2013年發(fā)布的STEMI管理指南均提出縮短 FMC-to-B時(shí)間［32-33］。這個(gè)時(shí)間點(diǎn)包括了部分院前急救時(shí)間，由此心肌梗死的救治由院內(nèi)急救提前到院前急救。

深水航行的船舶，水流在船體周圍呈現(xiàn)三維空間的流動(dòng)；而淺水航行的船舶，由于船體與海床之間空間狹窄，船底、船艏和船艉受到空間的限制，船底水流受到空間的擠壓，流速顯著增加，從而導(dǎo)致船底部水流壓力降低，進(jìn)而導(dǎo)致船體下沉，船體與海床之間的距離縮短。船舶速度越高，船體下蹲值越大，船舶縱傾變化加劇，船舶產(chǎn)生觸底、擱淺的可能性就越大[1]。

近年來，對低航速、方型系數(shù)Cb集中在0.60～0.75之間的小型船舶淺水效應(yīng)已有大量的理論研究實(shí)例[2-3]，對大型船舶的研究相當(dāng)有限。隨著造船技術(shù)的高速發(fā)展，船舶大型化成為市場發(fā)展的趨勢之一，為降低超大型船舶進(jìn)港或在淺水航行時(shí)觸底、擱淺的風(fēng)險(xiǎn)，對超大型船舶淺水效應(yīng)的研究仍十分必要。因此，基于大型LNG FSRU三維模型，并通過CFD三維水動(dòng)力計(jì)算方法探討超大型LNG FSRU船的淺水效應(yīng)。

1　淺水效應(yīng)計(jì)算方法

估算船舶淺水航行下沉量的計(jì)算有3種方法：①數(shù)值計(jì)算法，利用CFD分析進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值估算；②通過淺水船模試驗(yàn)進(jìn)行估算；③采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。

應(yīng)用CFD數(shù)值計(jì)算的方法評估船舶淺水效應(yīng)，可以充分考慮船舶在淺水航行時(shí)阻力變化，充分考慮了船型對淺水效應(yīng)的影響，不足之處是需要首先建立精確的3D流體計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的精確與否直接影響計(jì)算結(jié)果[2]；模型試驗(yàn)的方法是估算船舶淺水效應(yīng)的有效方法之一，不足之處是，模型試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，評估淺水效應(yīng)時(shí)間較長，實(shí)際應(yīng)用較少；應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式是估算船舶淺水效應(yīng)最為快速和便捷的估算方法，不足之處是經(jīng)驗(yàn)公式往往不能考慮船型、船體阻力等問題，具有較大的局限性。所以，當(dāng)前估算船舶淺水效應(yīng)比較流行的是采用CFD計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)公式估算法。這里，采用CFD計(jì)算及1974年Hooft提出的開敞水域淺水估算經(jīng)驗(yàn)公式2種方法對大型LNG FSRU船在開敞淺水區(qū)域航行時(shí)淺水效應(yīng)進(jìn)行估算，并對估算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2　LNG FSRU船型計(jì)算參數(shù)

以某大型LNG FSRU為目標(biāo)船型，其主尺度見表1，外觀見圖1。

②船舶在航行過程中保持自由升沉。

3　估算淺水效應(yīng)

從CFD計(jì)算結(jié)果可以看出，對于大型LNG FSRU船型，航速越高，船底距海底間隙越小，船舶淺水下蹲量越大，見表2和圖7；船艏吃水下蹲UKCS為船底距水底間隙；h為水深；Td為設(shè)計(jì)吃水。

CFD計(jì)算采用瑞典FLOWTECH公司的Ship-flow軟件，該軟件能夠完善地解決船舶阻力計(jì)算的問題，同時(shí)此軟件在淺吃水、狹窄航道等方面也有一定的應(yīng)用[4-6]。

唯一參照物比較判斷法是以序關(guān)系法為基礎(chǔ)的一種計(jì)算權(quán)重的算法。要求專家在所有評價(jià)指標(biāo)中挑選一個(gè)且僅有一個(gè)最不重要的指標(biāo)，再將其他指標(biāo)的重要程度和此指標(biāo)做理性判斷的比較，建立映射函數(shù)并進(jìn)行定量計(jì)算。

表1　LNG FSRU船型主尺度

圖1　LNG FSRU外觀效果

CFD計(jì)算須對船體表面及自由面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，船體表面以四邊形網(wǎng)格為主，輔以少量的三角形網(wǎng)格，而自由面全部采用4邊形網(wǎng)格。船體網(wǎng)格分為艏部、主體、雙艉鰭及船艉4部分，在艏艉及曲率變化較大區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密；自由面網(wǎng)格則是在靠近船體表面的區(qū)域進(jìn)行加密，二者總計(jì)22 767個(gè)網(wǎng)格，見圖2。

圖2　CFD計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

各評價(jià)指標(biāo)及其所反映的效益特征之間應(yīng)存在內(nèi)在聯(lián)系，相互聯(lián)系的指標(biāo)體系才能全面反映生態(tài)清潔小流域建設(shè)的綜合效益。

①船舶在無風(fēng)無浪情況下勻速航行。

來到中軍帳瞭望臺(tái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地就看到了王寶生，他正站在屋外拿著對講機(jī)匯報(bào)情況，看見記者到來，他笑著揮手致意。

奔傾漱石亦噴苔，此是便隨元化來。長片掛巖輕似練，遠(yuǎn)聲離洞咽于雷。氣含松桂千枝潤，勢畫云霞一道開。直是銀河分派落，兼聞碎滴濺天臺(tái)。

根據(jù)表3艏吃水下蹲計(jì)算結(jié)果，給出LNG FSRU淺水航行船艏吃水限制見圖8。

總之，政協(xié)制度在發(fā)揮群眾路線制度化功能方面獨(dú)一無二。政協(xié)對各種力量的涵蓋性、參政議政議題的廣泛性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過西方任何上議院。政協(xié)廣開言路所營造融洽和諧、生動(dòng)活潑的政治局面，避免了西方三權(quán)分立那種互相傾軋的惡性爭斗與無序混亂。政協(xié)的設(shè)置是中國絕無僅有的，它體現(xiàn)了中華文化團(tuán)結(jié)包容的生命力和社會(huì)主義中國充滿生機(jī)的政治創(chuàng)造力。當(dāng)前要從以下 3個(gè)方面去進(jìn)一步強(qiáng)化人民政協(xié)的工作，充分發(fā)揮政協(xié)制度作為踐行群眾路線的基礎(chǔ)制度的功能。

④不考慮狹窄航道的影響，只計(jì)及淺水效應(yīng)。

對灌漿速率（GRmean）而言，整體表現(xiàn)為外緣籽粒的灌漿速率高于中部籽粒和內(nèi)部籽粒，并有籽粒平均灌漿速率（外緣、中部、內(nèi)部籽粒的平均值）隨著密度的增加而降低，隨著深松深度減小呈下降趨勢；其中以深松S45處理、密度D1下的灌漿平均灌漿速率最大為0.446，淺旋耕處理RT、密度D3下的最低為0.267。

⑤考慮對稱性，只對半船進(jìn)行計(jì)算。

⑥選取5個(gè)水深、5個(gè)航速狀態(tài)進(jìn)行分析。

⑦采用模型尺寸進(jìn)行模擬以降低計(jì)算成本，比例為1∶30。

3.2計(jì)算參數(shù)

選擇LNG FSRU設(shè)計(jì)吃水Td=11.44 m，從2～6 m，間隔1 m分別設(shè)置5個(gè)船底距水底間隙UKCS值；航速Vs從6～14 kn，間隔2 kn設(shè)置5個(gè)航速Vs。

根據(jù)表4艉吃水下蹲計(jì)算結(jié)果，給出LNG FSRU淺水航行船艏吃水限制見圖9。

通過CFD計(jì)算，得到船舶在不同條件下全船壓力分布及波形，并得到艏、艉下沉量及縱傾變化，截取8 kn航速-水深波形見圖3，波形輪廓見圖4～6。

教師向?qū)W生說明：第一個(gè)通過確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)向遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)的觀點(diǎn)發(fā)起挑戰(zhàn)的是美國科學(xué)家艾弗里，而艾弗里的實(shí)驗(yàn)又是建立在格里菲斯的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上。這樣從而引入格里菲斯的肺炎雙球菌的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。

圖3　8 kn航速-水深波形變化

圖4　LNG FSRU深水航行(水深吃水比h/Td>20)波形輪廓

圖5　LNG FSRU淺水航行(水深吃水比h/Td=1.4)波形輪廓

圖6　LNG FSRU淺水航行(水深吃水比h/Td=1.2)波形輪廓

3.1CFD計(jì)算模型及邊界條件

表2　FSRU平均吃水下蹲計(jì)算結(jié)果　m

圖7　LNG FSRU平均吃水下蹲變化

量大于船艉吃水下蹲量，主要原因是淺水航行時(shí)艏部流場速度變化比艉部流場速度變化大，導(dǎo)致LNG FSRU在淺水航行時(shí)艏部壓力降低加劇，從而出現(xiàn)船艏下蹲加劇現(xiàn)象。

③不考慮螺旋槳對船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響。

Shipflow軟件默認(rèn)邊界條件的設(shè)定，也可以根據(jù)需要進(jìn)行更改，主要包括進(jìn)流、出流、對稱面、邊界面等。假定條件如下。

表3　FSRU船艏吃水下蹲計(jì)算結(jié)果　m

圖8　LNG FSRU淺水航行船艏吃水限制

3.3計(jì)算結(jié)果

表4　FSRU船艉吃水下蹲計(jì)算結(jié)果　m

圖9　LNG FSRU淺水航行船艉吃水變化

4　CFD與經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算對比

估算船舶淺水效應(yīng)比較著名的是Tuck和Taylor提出的近似計(jì)算公式， Hooft在Tuck提出的計(jì)算公式基礎(chǔ)上簡化下沉系數(shù)Cz和CΘ，給出如下開敞水域淺水船艏下沉計(jì)算公式。

2）將OA辦公系統(tǒng)引入具體工作中。OA辦公系統(tǒng)是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)支持的辦公管理系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的辦公模式不同，OA辦公系統(tǒng)，沒有大量的紙質(zhì)文件，一切辦公活動(dòng)都通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行。將OA辦公系統(tǒng)引入管理工作中可以有效減少相關(guān)工作人員的工作強(qiáng)度，提高辦公精度。同時(shí)可以避免一些工作人員的違規(guī)操作。

(1)

式中：Sb——船艏下沉量；

Lpp——船舶垂線間長；

▽——船舶排水體積；

Frh——水深傅汝德數(shù)。

(2)

其中：Vs——航速，m/s；

h——水深，m。

應(yīng)用上述Hooft提出的經(jīng)驗(yàn)公式估算LNG FSRU淺水效應(yīng)，得到船艏下蹲數(shù)據(jù)見表5。

表5　FSRU船艏吃水下蹲計(jì)算結(jié)果　m

比較發(fā)現(xiàn)，2種方法得到的船舶下蹲變化趨勢一致，見圖10；在水深滿足h/Td=1.22時(shí)，2種方法計(jì)算得到的吃水下蹲值基本相同；在水深滿足h/Td<1.22時(shí)，CFD方法計(jì)算得到吃水下蹲值比較大，CFD方法計(jì)算結(jié)果偏保守；在水深滿足h/Td>1.22時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到吃水下蹲值比較大，經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算結(jié)果偏保守。

圖10　CFD方法與經(jīng)驗(yàn)公式對比

5　結(jié)論

1)船速越高，船底距海底間隙越小，船舶淺水的下蹲量越大。

2)船舶興波受水深影響明顯，相同航速時(shí)，水深越小，興波越大。

3)水深越小，航速越高，艏傾越大。

4)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與CFD結(jié)果在數(shù)值上基本一致，反應(yīng)出來的變化趨勢也相同。

5)掌握FSRU淺水航行時(shí)艏吃水、艉吃水及縱傾變化，對后續(xù)實(shí)際營運(yùn)時(shí)，保證船舶通行淺水時(shí)的安全方面具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

CFD計(jì)算方法在工程上的應(yīng)用還有待實(shí)際項(xiàng)目的檢驗(yàn)，以及模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的大量積累。在當(dāng)前階段，采用CFD數(shù)值分析的方法對各船型淺水效應(yīng)的評估具有廣闊的適用性。

[1] 招定友，船舶淺水效應(yīng)的研究[J].天津航海，2009(2)：4-6.

[2] JACEK JACHOWSKI, Assessment of ship squat in shallow water using CFD[J]. Archives of civil and mechanical engineering,2008,8(1)：27-36.

[3] 高高.大方形系數(shù)雙尾船淺水下沉量與縱傾計(jì)算[J].船海工程，2007，36(6)：15-17.

[4] 雷濤.淺水航行船舶下沉量的確定[J].船海技術(shù)，2002(2)：2-4.

[5] 周華興.關(guān)于深水、淺水與限制航道界定的探討[J].水運(yùn)工程，2006(1)：53-58.

[6] 張大有.關(guān)于淺水影響及其改善技術(shù)[J].船海工程，2006(1)：1-4.

Shallow Water Effect Analysis of LNG FSRU Carrier Based on CFD Calculation Method

YANG Chun-hua, YAN Xiao-qin, WENG Zhen-yong, CHEN Xiao-ying, YUAN Hong-liang

(Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co. Ltd, Shanghai 200129, China)

To ensure the safe navigation of large LNG FSRU in shallow water area, the CFD calculation method is applied to assess the water flow distribution, ship resistance variation, ship squat and ship trim variation around the hull of LNG FSRU when navigation in shallow water area. Comparing with the model test method, the CFD calculation method spends less time and cost. While comparing with the empirical formula method, the CFD calculation method is more reasonable because of fully considering the hull line effect to the flow distribution around the vessel.

shallow water effect; LNG FSRU; ship squat; CFD calculation method

2015-12-23

2016-03-15

國家發(fā)改委FSRU研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(發(fā)改辦高技【2015】1409號(hào))

楊春華(1983—)，男，學(xué)士，工程師

U662

A

1671-7953(2016)04-0006-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.002

研究方向:船舶總體設(shè)計(jì)

E-mail:ych021@163.com