水面舰船风载荷系数研究

2018-10-15魏可可高霄鹏

舰船科学技术 2018年9期

魏可可，高霄鹏

(海军工程大学舰船工程系，湖北武汉 430033)

0 引言

船舶在水面航行，当受到较大的风载荷时，船舶的航向轨迹将发生偏移甚至有倾覆的危险，因此船舶的风载荷对船舶的操纵性能以及航行性能有较大的影响。同时当船舶在港口作业、系泊以及动力定位时，船舶受风载荷的影响更大。因此准确地计算评估船舶受到风载荷对预报船舶的运动显得尤为重要，同时对船舶的操纵性能、系泊性能以及航行安全性等方面也有密切的关联。计算风载荷主要有模型的风洞试验、经验公式以及数值计算。模型风洞试验是较为准确的计算风载荷的一种试验方法，通过将一定的小尺度的物理模型置于能够提供风环境的实验室来测量模型的受力继而获得风载荷，但该试验具有成本高、周期长等缺点[1]。

经验公式主要是在风洞试验的基础上对试验数据进行线性回归分析总结归纳得出来的计算方法，国外在这方面研究较早，Isherwood[2]通过对大量船模的风洞试验数据进行回归分析，提出了计算船舶风压力系数和风压力矩系数的回归公式；Blendermann[3–5]通过大量的风洞试验得到较为全面的风载荷数据，进而推导出船舶纵向风力、横向风力、首摇力矩和横倾力矩的计算公式；OCIMF通过对风洞试验数据的分析，得出一种计算某超大型油船的载荷计算公式；M.R.Haddara[6]基于神经网格技术，得出计算船舶风载荷的通用计算公式，并通过以某油船对该计算公式进行了验证，发现其精度很高。在国内，汤忠谷[7]通过对13条不同船型的模型在风洞中进行风洞试验，并测定船模的上层建筑的风压系数和风压中心位置，最终归纳出计算风压横倾力矩的计算公式；洪碧光[8]以50条船模风压系数的风洞试验数据作为回归样本，并采用易于得到的基本船型系数，得出了一种根据船型系数来估算风压系数的计算方法。

随着计算技术的快速发展，通过风洞试验的相关原理以及结合计算机流体力学（Computational Fluid Dynamic,CFD）理论的数值建模计算方法运用越来越广泛，以下是国内外研究学者的研究。在国外，James S.Forrest[9]以simple frigate shape（SFS）为研究对象，对其在风场进行数值建模，采用非定常并对时间步长做了相关的敏感性分析，最终计算了该模型的风压系数；Ignation[10]以某帆船为研究对象，通过选择不同湍流模型、不同网格密度对该模型的阻力和升力进行了数值计算，并与风洞试验值进行了对比，验证了该计算方法的可行性。在国内，蔡文山等[11]应用CFD数值计算方法对某大型油船在6级风况下的迎风阻力进行了数值计算，并将计算结果和范·伯利柯姆的计算方法进行了对比，发现吻合度较好；张金鹏等[12]基于ICEM和Fluent软件，对某大型集装箱船的上层建筑部分进行网格划分，分析了该船周围的流场和计算了该船在某工况下的风载荷，并与风洞试验结果进行了对比分析。

1 理论计算

1.1 Isherwood计算方法

Isherwood根据各类商船有关压力的大量船模的风洞试验数据，并对不同类型船舶上层建筑的主要尺度参数值作了相关的统计计算和评估，结合相关理论对这些试验数据和统计值进行处理分析，从而获得计算风载荷力系数和力矩系数的计算公式，式（1）是Isherwood计算风载荷的公式。

1.2 Blendermann计算方法

Blendermann等基于大量的风洞试验，从试验数据中进行反复回归分析获得了计算侧向、纵向以及首摇的风载荷系数的计算公式。另外，Blendermann在此基础上提出了变化风速下的风载荷计算方法。

2 数值计算

2.1 计算方法

2.1.1 控制方程

风载荷的数值计算采用基于RANS方法的质量守恒方程和动量守恒方程，本文以该两大方程作为求解该船舶几种运动的基本方程。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

控制方程的通用形式：

2.1.2 湍流模型

2.2 计算对象

采用某水面舰船的一定的缩尺比模型（见图1），其模型的无因次主尺度参数如表1所示。

表 1 无因次主尺度参数Tab. 1 Dimensionless principal scale parameter

2.3 网格模型

2.3.1 边界条件

在CFD数值模拟中，根据设定的不同工况和需要模拟的船体运动情况来设定不同的边界条件。边界条件包括速度入口（Velocity Inlet）、压力出口（Pressure Outlet）、对称面（Symmetery）、壁面（Wall）、重叠网格（Overset Mesh）、质量流量进口（Stagnation Inlet）等，船模计算域的边界条件的设置见图2所示。

2.3.2 船体网格模型

基于STAR-CCM+软件平台，对船体采用剪切非结构化网格，且对船体的首部和尾部的网格进行加密，流域的网格和船体的网格如图3所示。

2.4 数值仿真

在数值模拟中，选取的风速分别为3.086 kn，3.637 kn，4.234 kn，4.86 kn，风向角选取为 0°～180°间隔为15°共计13个角度。数值仿真计算每个风速每个风向角下船模受到的力和力矩，然后将其无因次化后取平均值便得到该船型的无因次风载荷系数。

本文对不同风速和不同风向角下该水面船模的水上部分模型的压力场和速度场进行了数值模拟，通过数值模拟发现，其实不同风速下的压力值或速度值只是数值的大小不同而已，数值仿真后现象基本一致，考虑本文工作量，只对风速为3.086 kn和风向角为0°，45°，90°，135°，180°等 5 个角度所对应的压力云图和速度云图进行分析，具体分析如图4和图5所示。

从图4中可知：压力最大值随风向角的变化而变化，当风向角为0°和45°时，压力最大值出现在尾部；当风向角为135°和180°时，压力最大值出现在首部，风向角为45°，90°，135°时船体表面的压力及船体周围的压力值小于风向角为0°，180°时的压力值。由于模型的风速较小，数值模拟船体表面压力值随梯度的变化不明显。

从图5中可知：当风向角为0°和45°时，在船尾部形成了速度漩涡，当风向角为135°和180°时，在船首部形成了速度漩涡；随着风向角由0°到180°逐渐增大，船体纵向切面的速度由大到小再到大的一个过程变化，因为速度是沿纵向切面发生变化的，所以在风向角为90°时，船体表面及其周围速度几乎一样；当风向角从90°开始增大时，船体周围的速度方向发生相反方向的变化。