孫志遠(yuǎn)，昝立儒，孫寒冰，侯永康

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

隨著全球集裝箱航運(yùn)市場(chǎng)行情趨穩(wěn)，全球集裝箱航運(yùn)市場(chǎng)行情將繼續(xù)改善，對(duì)于集裝箱船的需求也逐漸釋放[1]，同時(shí)對(duì)于集裝箱船的需求也呈現(xiàn)出大型化的趨勢(shì)。與常規(guī)運(yùn)輸船相比，超大型集裝箱船由于其較大的受風(fēng)面積風(fēng)阻研究變得更為必要[2]。

劉強(qiáng)[3]利用OpenFOAM對(duì)不同集裝箱布置形式進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算難以得到的上層建筑形式風(fēng)載荷的差別，分析空氣繞流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)與船舶所受風(fēng)載荷的關(guān)系。蔡文山[4]采用數(shù)值方法對(duì)不同的集裝箱進(jìn)行了研究，并對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果吻合較好的基礎(chǔ)上優(yōu)化布置形式以減小風(fēng)阻。羅少澤[5]在驗(yàn)證敞開式風(fēng)場(chǎng)風(fēng)阻試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)集裝箱船的布置研究，通過(guò)數(shù)值計(jì)算有效地優(yōu)化集裝箱的風(fēng)阻。Anderson[6]研究了1艘巴拿馬型集裝箱船在多種集裝箱布置下的風(fēng)阻和力矩，分析了風(fēng)阻的影響因素并提供了優(yōu)化方案。魏可可[7]利用數(shù)值手段研究了水面艦艇水面以上船體的風(fēng)載，同時(shí)也根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其風(fēng)載荷進(jìn)行估算，與試驗(yàn)值相比，數(shù)值方法和經(jīng)驗(yàn)公式都存在一定的誤差。劉亞沖[8]對(duì)16 000箱集裝箱船船體水線以上結(jié)構(gòu)表面風(fēng)場(chǎng)風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬，得到風(fēng)載荷系數(shù)，并與規(guī)范方法和Isherwood方法進(jìn)行比較，為船舶初期的穩(wěn)性設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

綜上所述，對(duì)于集裝箱船的研究集中于數(shù)值方法以及經(jīng)驗(yàn)公式，但對(duì)于數(shù)值方法的精確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。風(fēng)洞試驗(yàn)通過(guò)模擬實(shí)際環(huán)境中的風(fēng)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┩獠匡L(fēng)環(huán)境，人為控制風(fēng)環(huán)境以對(duì)結(jié)構(gòu)物風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行再現(xiàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)是目前計(jì)算風(fēng)阻最為有效精確的手段，同時(shí)也能夠?yàn)槠渌?jì)算方法提供可靠的數(shù)據(jù)，作為估算風(fēng)載荷的依據(jù)[9,10]。然而風(fēng)洞試驗(yàn)因其較為昂貴的費(fèi)用和較長(zhǎng)周期，在計(jì)算船舶風(fēng)阻方面的試驗(yàn)較

少。本文通過(guò)集裝箱空載吃水和設(shè)計(jì)吃水2種工況的風(fēng)洞試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，計(jì)算得到風(fēng)阻系數(shù)，并分析不同工況下風(fēng)阻系數(shù)和力矩特點(diǎn)，并為后期風(fēng)阻優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 船型簡(jiǎn)介

集裝箱船模型由船體和集裝箱組成，集裝箱船模型縮比為1:200，并采用3D打印的方式進(jìn)行模型的加工制作。將水線與甲板之間船體和上層建筑、集裝箱分開制作，其中船底、船側(cè)平邊、尾封板和甲板采用3 mm玻璃鋼板材料加工，而上層建筑和集裝箱用3D打印材料（聚乳酸）加工。模型主要參數(shù)見表1。

表1 集裝箱船模型參數(shù)Tab.1 Parameters of the container ship

圖 1試驗(yàn)?zāi)Ｐ图白鴺?biāo)系Fig. 1 Test model and coordinatesystem

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

本次試驗(yàn)于中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院（哈爾濱）FL-8風(fēng)洞進(jìn)行。該風(fēng)洞為低速單回路閉口風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面為切角矩形，其主要參數(shù)見表2。

風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)力采用單支桿腹部支撐系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由迎角機(jī)構(gòu)、側(cè)滑角機(jī)構(gòu)和支桿機(jī)構(gòu)組成。采用該系統(tǒng)支撐的模型可實(shí)現(xiàn)兩自由度方向的旋轉(zhuǎn)功能，即模型的迎角和側(cè)滑角。試驗(yàn)時(shí)，模型連接到天平

表2 風(fēng)洞模型參數(shù)Tab.2 Parameters of thetunnel

上，天平連接到支撐系統(tǒng)上。本次試驗(yàn)用地板模擬水面，為防止試驗(yàn)過(guò)程中模型震顫碰到地板，地板與集裝箱船船底之間的距離為20 mm。試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)模型的各個(gè)狀態(tài)，階梯式改變模型的側(cè)滑角對(duì)模型氣動(dòng)力及力矩進(jìn)行測(cè)量。0°～180°每15°改變一次角度，共13個(gè)角度。試驗(yàn)風(fēng)速為25 m/s。

圖2 集裝箱設(shè)計(jì)吃水風(fēng)阻試驗(yàn)Fig.2 Draft design resistance tunnel test of container ship

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)模型氣動(dòng)力及力矩進(jìn)行測(cè)量。定義力系數(shù)：式中：船舶所受風(fēng)阻包括沿船長(zhǎng)方向的縱向力（阻力）FX；船寬方向上的橫向力（側(cè)向力）FY；偏航力矩CN；ρ為空氣密度；u為風(fēng)洞來(lái)流速度，β為迎風(fēng)角。

由圖3可以看出，隨風(fēng)向角的階梯式改變，空載吃水和設(shè)計(jì)吃水2種工況的縱向風(fēng)阻系數(shù)都呈現(xiàn)出接近正弦曲線變化的趨勢(shì)，同時(shí)存在2個(gè)方向相反的阻力峰。在風(fēng)向角接近β=45°和β=135°時(shí)二者的風(fēng)阻系數(shù)值都達(dá)到機(jī)極值；當(dāng)β=0°時(shí)，由于船舶受到正橫風(fēng)的作用，在縱向上并不存在風(fēng)阻分量，所以沿船長(zhǎng)方向的縱向風(fēng)阻系數(shù)為0。

對(duì)于空載吃水和設(shè)計(jì)吃水的橫向風(fēng)阻系數(shù)，在風(fēng)向角β=0°和β=180°，船舶正迎風(fēng)狀態(tài)和正順風(fēng)狀態(tài)時(shí)，船舶受到的風(fēng)力橫向分量為0。隨著風(fēng)向角由正迎風(fēng)轉(zhuǎn)到正橫風(fēng)后再過(guò)渡到正順風(fēng)時(shí)，風(fēng)力的橫向分量也隨之先增大后減小，表現(xiàn)在橫向風(fēng)阻系數(shù)曲線即呈現(xiàn)出接近余弦曲線變化規(guī)律的趨勢(shì)。在船舶處于遭遇橫風(fēng)狀態(tài)時(shí)，設(shè)計(jì)吃水的橫向風(fēng)阻阻力系數(shù)較大，空載時(shí)由于上層建筑在縱剖面的投影較小，對(duì)風(fēng)的阻滯作用降低，導(dǎo)致在正橫風(fēng)時(shí)曲線有一個(gè)下降的凹點(diǎn)，其余風(fēng)向角二者阻力系數(shù)相差不大。同時(shí)由于設(shè)計(jì)吃水甲板上布置較多集裝箱，所以在改變風(fēng)向角時(shí)迎風(fēng)面投影面積的變化較空載吃水狀態(tài)緩和，表現(xiàn)在風(fēng)阻系數(shù)曲線上即設(shè)計(jì)吃水的縱向和橫向風(fēng)阻系數(shù)曲線較為平滑。

圖3 不同風(fēng)向角下縱向風(fēng)阻系數(shù)曲線Fig.3 Longitudinal wind resistance coefficient curves under different wind direction

圖4 不同風(fēng)向角下橫向風(fēng)阻系數(shù)曲線Fig.4 Transverse wind resistance coefficient curves under different wind direction

圖5 不同風(fēng)向角下力矩曲線Fig. 5 Moment curves under different wind direction

空載吃水和設(shè)計(jì)吃水2種工況的力矩曲線有著明顯的差別，空載時(shí)上層建筑在縱剖面的投影較小，所以前者力矩曲線數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者，同時(shí)由于集裝箱船重心處于中后位置，上層建筑結(jié)構(gòu)并不關(guān)于中橫剖面對(duì)稱，偏航力矩也并不完全遵循正弦曲線變化的規(guī)律，當(dāng)遭遇風(fēng)向角在50°附近時(shí)首搖力矩最大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)集裝箱船的設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)和空載吃水狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬，并對(duì)風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行分析。在試驗(yàn)風(fēng)向角區(qū)間內(nèi)，縱向風(fēng)阻系數(shù)曲線形狀近似于正弦曲線，存在方向相反的阻力極值，空載吃水時(shí)的曲線較為平緩且縱向風(fēng)阻系數(shù)較?。粰M向風(fēng)阻系數(shù)曲線類似拋物線，遭遇正橫風(fēng)時(shí)設(shè)計(jì)吃水的風(fēng)阻系數(shù)最大，空載吃水狀態(tài)由于上層建筑投影面積降低有局部極小值；集裝箱的布置對(duì)于船舶的力矩曲線影響較大，需要對(duì)其布置進(jìn)行深入研究。