王志浩 趙天翔 宋強(qiáng) 王文杰

摘 要：風(fēng)載荷是船舶航行中環(huán)境載荷的一個(gè)組成部分，對船舶航行安全及節(jié)能減排具有重要意義。船舶在航行過程中，其橫向角速度波動(dòng)程度較大，可見船身橫向?qū)挾葘ν饨绺蓴_較為敏感，為減少干擾載荷對船舶運(yùn)動(dòng)的影響，可適當(dāng)增加船身橫向?qū)挾?，在船舶設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合船舶風(fēng)載荷研究中現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析三種方法，對風(fēng)載荷的研究進(jìn)展進(jìn)行論述。最后結(jié)合船舶在風(fēng)載荷方面的現(xiàn)有研究成果及發(fā)展趨勢，對風(fēng)載荷研究工作在船舶行業(yè)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：風(fēng)載荷;船舶;節(jié)能減排

1 風(fēng)載荷概述

風(fēng)載荷，即動(dòng)壓力，是工程結(jié)構(gòu)因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)而導(dǎo)致的壓力。最早是在1889年由著名的埃菲爾鐵塔的設(shè)計(jì)者Gustafo Eiffil提出的，起初應(yīng)用于建筑學(xué)，隨后隨著空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，逐漸應(yīng)用于很多領(lǐng)域。其和地面粗糙度、建筑體型以及基本風(fēng)壓相關(guān)。其變化可劃分為兩大塊，其一即為長周期部分，往往超過十分鐘;其二即為短周期部分，一般僅為數(shù)秒。為便于開展分析，常常分解實(shí)際風(fēng)載荷為脈動(dòng)以及平均風(fēng)載荷兩大塊。因長周期比普通結(jié)構(gòu)自振周期明顯更大，所以平均風(fēng)載荷作用于結(jié)構(gòu)時(shí)，即等同于靜力作用。而脈動(dòng)風(fēng)載荷則具備較短周期，在時(shí)間變化的同時(shí)，強(qiáng)度因此而變化，以動(dòng)力作為作用性質(zhì)，由此使得結(jié)構(gòu)振動(dòng)。對于舶舶風(fēng)載荷而言，一直以來都不被人重視，但隨著海洋工程裝備的不斷發(fā)展，以及人們對于海洋資源的開發(fā)利用，船舶風(fēng)載荷才漸漸引起了人們廣泛的關(guān)注。船舶風(fēng)載荷的計(jì)算方法也成了人們不斷研究并探索的課題。船舶風(fēng)載荷很大程度上會對操縱、航行性能產(chǎn)生影響。若為特殊工況，如動(dòng)力定位、駁船頂推作業(yè)等，則其影響將更為突出。

2 船舶風(fēng)載荷研究目的和意義

2.1 船舶的節(jié)能

在設(shè)計(jì)海洋、船舶結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)時(shí)，風(fēng)載荷往往作為負(fù)荷的關(guān)鍵因素，但卻被人所忽略。正因如此，由風(fēng)導(dǎo)致的力矩以及力，才引發(fā)了諸多海洋結(jié)構(gòu)物以及船舶等事故的發(fā)生。所以，以風(fēng)載荷作為關(guān)鍵因素這一方面來看，估計(jì)是否準(zhǔn)確將產(chǎn)生極為重要的影響，相關(guān)人員需對此予以關(guān)注。因其會對運(yùn)營進(jìn)程中的海洋、船舶結(jié)構(gòu)物的安全造成影響。

就離岸結(jié)構(gòu)、或船舶而言，當(dāng)遭受風(fēng)載荷時(shí)，如集裝箱船，具有極大的結(jié)構(gòu)受風(fēng)面積，不僅會因風(fēng)導(dǎo)致的聯(lián)合水荷載受到影響，風(fēng)荷載也將直接影響船體結(jié)構(gòu)，此時(shí)對應(yīng)的動(dòng)力載荷相當(dāng)大。在海洋以及船舶結(jié)構(gòu)物中，風(fēng)載荷屬于極為關(guān)鍵的環(huán)境負(fù)荷，不論是在操縱船舶、還是推進(jìn)效率方面，均可發(fā)揮極為關(guān)鍵的作用。此外，就船舶動(dòng)力定位、拖曳等狀況之下，風(fēng)載荷的作用也極為突出。所以，可準(zhǔn)確對數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，方可使得結(jié)構(gòu)物、風(fēng)的作用以及影響得以顯著減少。如對風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算，由此可對穩(wěn)定性、推進(jìn)等進(jìn)行分析，此外還包括動(dòng)態(tài)定位的分析等。

2.2 船舶航行定位

在定位以及船舶航行時(shí)，風(fēng)場將對此產(chǎn)生作用，所以對其承受風(fēng)載荷予以準(zhǔn)確估計(jì)，并對船舶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，極為必要，并且在分析操縱、推進(jìn)性能以及穩(wěn)定性來看，幫助相對較大。就動(dòng)力定位來看，對風(fēng)場流動(dòng)如何影響船舶壓力進(jìn)行準(zhǔn)確評估，對風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算，對于風(fēng)場影響的減少具有極為關(guān)鍵的作用。若并未運(yùn)用錨泊系統(tǒng)來定位船舶，則提前對周邊環(huán)境進(jìn)行評估極為關(guān)鍵，需要關(guān)注的是，雖然海洋環(huán)境風(fēng)力一般都會對船舶產(chǎn)生影響，但人們對此的關(guān)注度不夠，由此也導(dǎo)致諸多具體案例的發(fā)生，人們才對此重要性有所認(rèn)識。對比海浪、洋流的作用而言，風(fēng)才是最為廣泛的對船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾因素，風(fēng)不僅會影響海浪，也會直接在船樓、船體部位造成影響，并進(jìn)而影響運(yùn)行。所以，在對動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)力對運(yùn)作影響的減小，是作為研發(fā)者而言首先需探究的關(guān)鍵問題。就拿“東方之星”客輪沉沒事件來說，造成其傾覆的主要因素之一就是江面上突如其來的龍卷風(fēng)。相比于洋流和海浪對于船舶的作用，風(fēng)對于船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的干擾最為廣泛，海面上的風(fēng)不但會對海浪造成影響，還會直接作用在船體及船舶的上層建筑上，對船舶的姿態(tài)產(chǎn)生影響。因此在設(shè)計(jì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)時(shí)，如何減小風(fēng)力對于該系統(tǒng)運(yùn)作的影響，是非常值得設(shè)計(jì)者考慮的因素之一。由此可見風(fēng)載荷部分是動(dòng)力定位系統(tǒng)中最值得去優(yōu)化的環(huán)節(jié)之一，這對于提高動(dòng)力定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精確度有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 研究方法及進(jìn)展

3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)測量

最初，風(fēng)洞試驗(yàn)被運(yùn)用于流體力學(xué)。將物體模型、飛行器放置于風(fēng)洞之中，對氣體流動(dòng)、模型的互相作用進(jìn)行探究，進(jìn)而對物體、飛行器具備的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行認(rèn)識的空氣動(dòng)力試驗(yàn)方法。在船舶研究方面，風(fēng)洞試驗(yàn)是一種將加工制造出的縮尺船舶模型置于能模擬風(fēng)環(huán)境的特定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過先進(jìn)的測量設(shè)備和技術(shù)，測得船舶模型的受力情況及測量點(diǎn)的流場信息的研究方法。風(fēng)洞試驗(yàn)是當(dāng)前獲得船舶風(fēng)載荷較為準(zhǔn)確和可靠的方法！在船舶的風(fēng)場和風(fēng)阻力的研究中起著重要作用。但其依然存在諸多缺陷：其一，邊界干擾或效應(yīng);其二，支架干擾;其三，相似準(zhǔn)則無法滿足。就船體的具體表現(xiàn)如下，試驗(yàn)過程中需對幾何縮尺模型加以運(yùn)用，無法對模型細(xì)節(jié)響應(yīng)風(fēng)載荷予以全面體現(xiàn);開展試驗(yàn)的費(fèi)用偏高，周期相對較長;在設(shè)計(jì)船舶結(jié)構(gòu)方面，需對多個(gè)方案加以對比，但無法同時(shí)開展風(fēng)洞試驗(yàn)。所以，在線性優(yōu)化船舶方面，這一試驗(yàn)依然具備局限性。

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式估算

當(dāng)前，有關(guān)風(fēng)載荷的諸多計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)由各國學(xué)者提出，目前認(rèn)可度比較高的是國外一些學(xué)者研究的經(jīng)驗(yàn)公式，加以對比分析，選擇應(yīng)用。比如Isherwood等學(xué)者，選取大量相關(guān)數(shù)據(jù)，并針對此開展多元回歸分析工作，提出對風(fēng)壓力矩以及船舶風(fēng)壓力矩進(jìn)行計(jì)算的回歸公式，本方法可適用于諸多串行，且可對全風(fēng)向角工況進(jìn)行計(jì)算。在中國北海，Chen等學(xué)者開展了風(fēng)載荷模擬實(shí)驗(yàn)，以1∶100作為比例尺。測量了八個(gè)方向、來自甲板的風(fēng)速。對五個(gè)攻角之下對應(yīng)結(jié)果進(jìn)行獲取。具體結(jié)論如下，即風(fēng)速針對脈動(dòng)、平均風(fēng)速產(chǎn)生了較大影響。Gould則對船舶上層建筑風(fēng)力矩以及風(fēng)進(jìn)行計(jì)算、預(yù)報(bào)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，對有效相對風(fēng)速問題進(jìn)行探究，且對指數(shù)風(fēng)剖面模擬公式進(jìn)行總結(jié)。結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)具體數(shù)據(jù)，VanBerIekom則針對各個(gè)風(fēng)向角之下，滾裝、集裝箱船對應(yīng)的迎風(fēng)風(fēng)力系數(shù)，對以此為基礎(chǔ)的船舶迎風(fēng)風(fēng)阻力計(jì)算公式進(jìn)行總結(jié)。也就是范·伯利柯姆公式。以全面、系統(tǒng)的一組船舶風(fēng)載荷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，Blendermann對船舶橫傾力矩、橫向、縱向風(fēng)力等的計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)，并且對不均勻風(fēng)速之下，如何結(jié)合風(fēng)洞數(shù)據(jù)來對風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算的方法進(jìn)行總結(jié)。此外，通過在密歇根大學(xué)開展的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)用的基礎(chǔ)之上，OCIMF就針對超大型油輪進(jìn)行計(jì)算的方法進(jìn)行總結(jié)，對各種載況之下對應(yīng)風(fēng)載荷系數(shù)予以羅列，還表示，即便對較小型油船進(jìn)行計(jì)算時(shí)，這一經(jīng)驗(yàn)公式、計(jì)算流程依然具備一定精度。

但是，上述公式在計(jì)算相應(yīng)特定船型風(fēng)載荷方面，往往結(jié)果無法取得良好的一致性，具體原因在于，經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)，以試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。而風(fēng)洞數(shù)據(jù)往往具備有限以及局限性，并最終影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。針對上述問題，M.R.Haddara通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用，對船舶風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算的通用公式進(jìn)行總結(jié)，并對油船進(jìn)行選擇，驗(yàn)證了這一公式，進(jìn)而認(rèn)識到，對比其他經(jīng)驗(yàn)公式而言，這一方法的精度明顯更高。此后，在風(fēng)載荷計(jì)算方面，Toshifumi Fujiwara則運(yùn)用了成分分離型理論，該方法即劃分在船體作用的風(fēng)壓為交叉流體、主流、誘導(dǎo)阻力。

3.3 數(shù)值建模計(jì)算

在計(jì)算機(jī)日益發(fā)展的同時(shí)，以風(fēng)洞試驗(yàn)原理作為基礎(chǔ)，并通過計(jì)算流體力學(xué)理論的運(yùn)用，學(xué)者們更為關(guān)注這一數(shù)值建模計(jì)算。對比傳統(tǒng)試驗(yàn)而言，其具備的特點(diǎn)包括如下：

①成本偏低，且效率高，研發(fā)周期相對較短;

②模型尺寸不會對此產(chǎn)生影響，可結(jié)合微觀視角對流場的任意流動(dòng)狀況進(jìn)行查看;

③便于對各類參數(shù)的變化，并完成多方案對比探究等。

就結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算風(fēng)載荷而言，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了諸多探究，如通過CFD方法的運(yùn)用，Ignazio針對帆船開展了風(fēng)場數(shù)值探究工作。通過各類網(wǎng)格尺寸、湍流模型的運(yùn)用，開針對帆船完成諸多建模，對升力、阻力大小予以計(jì)算，對計(jì)算可使得工程精度得以滿足進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合對比后認(rèn)識到，更加吻合于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的為realizable k-epsikon湍流模型;通過ANSYS軟件的運(yùn)用，張金鵬針對非滿載狀態(tài)的集裝箱船的風(fēng)阻開展了探究工作。通過理論分析計(jì)算結(jié)果、對數(shù)值模擬計(jì)算的對比，就集裝箱船風(fēng)載荷的計(jì)算而依然，數(shù)值模擬是否可行性進(jìn)行驗(yàn)證。James.Forrest則針對SFS風(fēng)場開展數(shù)值建模工作，對非定常計(jì)算策略加以運(yùn)用，并針對選擇時(shí)間步長開展敏感性分析工作，對實(shí)際船體、CFD模型壓縮尺寸對應(yīng)的差異進(jìn)行對比。

4 結(jié)語

從目前船舶風(fēng)載荷的研究來看，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)雖然較為可靠和準(zhǔn)確，但是從結(jié)構(gòu)模型利用率低、模型制作到實(shí)驗(yàn)完成的周期、支架干擾、風(fēng)洞洞壁干擾等問題也是當(dāng)前風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)面臨的重要問題，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與3D打印技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)的緊密結(jié)合，將大幅度提高風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳前昆，尹奇志，等.船舶風(fēng)載荷研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2015（08）.

[2]陳剛，汪怡，等.自升式鉆井平臺風(fēng)載荷試驗(yàn)研究[J].船舶工程，2012（03）.