王志浩 趙天翔 宋強 王文杰
摘 要:風(fēng)載荷是船舶航行中環(huán)境載荷的一個組成部分,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動的影響,可適當(dāng)增加船身橫向?qū)挾?,在船舶設(shè)計過程中,結(jié)合船舶風(fēng)載荷研究中現(xiàn)場實測、風(fēng)洞實驗和數(shù)值分析三種方法,對風(fēng)載荷的研究進展進行論述。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,即動壓力,是工程結(jié)構(gòu)因為空氣流動而導(dǎo)致的壓力。最早是在1889年由著名的埃菲爾鐵塔的設(shè)計者Gustafo Eiffil提出的,起初應(yīng)用于建筑學(xué),隨后隨著空氣動力學(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,常常分解實際風(fēng)載荷為脈動以及平均風(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,即等同于靜力作用。而脈動風(fēng)載荷則具備較短周期,在時間變化的同時,強度因此而變化,以動力作為作用性質(zhì),由此使得結(jié)構(gòu)振動。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)計海洋、船舶結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)時,風(fēng)載荷往往作為負荷的關(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,估計是否準確將產(chǎn)生極為重要的影響,相關(guān)人員需對此予以關(guān)注。因其會對運營進程中的海洋、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,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),此時對應(yīng)的動力載荷相當(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)境負荷,不論是在操縱船舶、還是推進效率方面,均可發(fā)揮極為關(guān)鍵的作用。此外,就船舶動力定位、拖曳等狀況之下,風(fēng)載荷的作用也極為突出。所以,可準確對數(shù)值進行計算,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)荷載進行計算,由此可對穩(wěn)定性、推進等進行分析,此外還包括動態(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,風(fēng)場將對此產(chǎn)生作用,所以對其承受風(fēng)載荷予以準確估計,并對船舶運動進行預(yù)報,極為必要,并且在分析操縱、推進性能以及穩(wěn)定性來看,幫助相對較大。就動力定位來看,對風(fēng)場流動如何影響船舶壓力進行準確評估,對風(fēng)載荷進行計算,對于風(fēng)場影響的減少具有極為關(guān)鍵的作用。若并未運用錨泊系統(tǒng)來定位船舶,則提前對周邊環(huán)境進行評估極為關(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,并進而影響運行。所以,在對動力定位系統(tǒng)進行研發(fā)時,如何實現(xiàn)風(fēng)力對運作影響的減小,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)計船舶動力定位系統(tǒng)時,如何減小風(fēng)力對于該系統(tǒng)運作的影響,是非常值得設(shè)計者考慮的因素之一。由此可見風(fēng)載荷部分是動力定位系統(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)實意義。
3 研究方法及進展
3.1 風(fēng)洞試驗測量
最初,風(fēng)洞試驗被運用于流體力學(xué)。將物體模型、飛行器放置于風(fēng)洞之中,對氣體流動、模型的互相作用進行探究,進而對物體、飛行器具備的空氣動力學(xué)特性進行認識的空氣動力試驗方法。在船舶研究方面,風(fēng)洞試驗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)境的特定實驗室內(nèi),通過先進的測量設(shè)備和技術(shù),測得船舶模型的受力情況及測量點的流場信息的研究方法。風(fēng)洞試驗是當(dāng)前獲得船舶風(fēng)載荷較為準確和可靠的方法!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,相似準則無法滿足。就船體的具體表現(xiàn)如下,試驗過程中需對幾何縮尺模型加以運用,無法對模型細節(jié)響應(yīng)風(fēng)載荷予以全面體現(xiàn);開展試驗的費用偏高,周期相對較長;在設(shè)計船舶結(jié)構(gòu)方面,需對多個方案加以對比,但無法同時開展風(fēng)洞試驗。所以,在線性優(yōu)化船舶方面,這一試驗依然具備局限性。
3.2 經(jīng)驗公式估算
當(dāng)前,有關(guān)風(fēng)載荷的諸多計算經(jīng)驗公式已經(jīng)由各國學(xué)者提出,目前認可度比較高的是國外一些學(xué)者研究的經(jīng)驗公式,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)壓力矩進行計算的回歸公式,本方法可適用于諸多串行,且可對全風(fēng)向角工況進行計算。在中國北海,Chen等學(xué)者開展了風(fēng)載荷模擬實驗,以1∶100作為比例尺。測量了八個方向、來自甲板的風(fēng)速。對五個攻角之下對應(yīng)結(jié)果進行獲取。具體結(jié)論如下,即風(fēng)速針對脈動、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)進行計算、預(yù)報的程序進行設(shè)計,對有效相對風(fēng)速問題進行探究,且對指數(shù)風(fēng)剖面模擬公式進行總結(jié)。結(jié)合風(fēng)洞試驗具體數(shù)據(jù),VanBerIekom則針對各個風(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)阻力計算公式進行總結(jié)。也就是范·伯利柯姆公式。以全面、系統(tǒng)的一組船舶風(fēng)載荷實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),Blendermann對船舶橫傾力矩、橫向、縱向風(fēng)力等的計算公式進行推導(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)載荷進行計算的方法進行總結(jié)。此外,通過在密歇根大學(xué)開展的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的運用的基礎(chǔ)之上,OCIMF就針對超大型油輪進行計算的方法進行總結(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行計算時,這一經(jīng)驗公式、計算流程依然具備一定精度。
但是,上述公式在計算相應(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)驗公式的推導(dǎo),以試驗獲得數(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,并最終影響計算結(jié)果的準確度。針對上述問題,M.R.Haddara通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運用,對船舶風(fēng)載荷進行計算的通用公式進行總結(jié),并對油船進行選擇,驗證了這一公式,進而認識到,對比其他經(jīng)驗公式而言,這一方法的精度明顯更高。此后,在風(fēng)載荷計算方面,Toshifumi Fujiwara則運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)值建模計算
在計算機日益發(fā)展的同時,以風(fēng)洞試驗原理作為基礎(chǔ),并通過計算流體力學(xué)理論的運用,學(xué)者們更為關(guān)注這一數(shù)值建模計算。對比傳統(tǒng)試驗而言,其具備的特點包括如下:
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狀況進行查看;
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、湍流模型的運用,開針對帆船完成諸多建模,對升力、阻力大小予以計算,對計算可使得工程精度得以滿足進行驗證,結(jié)合對比后認識到,更加吻合于風(fēng)洞試驗結(jié)果的為realizable k-epsikon湍流模型;通過ANSYS軟件的運用,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。通過理論分析計算結(jié)果、對數(shù)值模擬計算的對比,就集裝箱船風(fēng)載荷的計算而依然,數(shù)值模擬是否可行性進行驗證。James.Forrest則針對SFS風(fēng)場開展數(shù)值建模工作,對非定常計算策略加以運用,并針對選擇時間步長開展敏感性分析工作,對實際船體、CFD模型壓縮尺寸對應(yīng)的差異進行對比。
4 結(jié)語
從目前船舶風(fēng)載荷的研究來看,風(fēng)洞實驗雖然較為可靠和準確,但是從結(jié)構(gòu)模型利用率低、模型制作到實驗完成的周期、支架干擾、風(fēng)洞洞壁干擾等問題也是當(dāng)前風(fēng)洞實驗面臨的重要問題,風(fēng)洞實驗與3D打印技術(shù)、自動控制技術(shù)等國內(nèi)先進技術(shù)的緊密結(jié)合,將大幅度提高風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)的精度和可靠性。
參考文獻:
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