基于CFD的客滚船上层建筑风阻计算及优化设计

蒋永旭,付翯翯,俞剑

(招商局邮轮研究院(上海)有限公司,上海 200041)

风载荷是船舶航行中环境载荷的一个组成部分,船舶的风载荷对航行操纵性、阻力推进等均有影响,尤其对于上层建筑面积较大的邮轮和客船,较大的受风面积使得风阻在船舶总阻力占比增加,对于操纵性要求极高的客船,风阻是靠港的低航速横移操纵中主要抵抗的外力之一。

关于船舶受到的风载荷影响,国内外学者主要针对主流运输船的上层建筑进行了相关的研究[1-12],对客船的研究相对较少。为此,考虑对某客流船计算分析不同风向角下的风阻。

1 数学模型和数值方法

1.1 控制方程

假定绕船舶的风场为非定常、不可压缩的黏性流体流动。对黏性流场的模拟,采用RANS(reynolds-averaged navier-stokes)方程进行求解。

为了封闭控制方程,采用k-ωSST湍流模型计算。

1.2 计算域及边界条件

采用右手直角坐标系o-xyz,原点定位在船中剖面、中纵剖面与水线面的交点,x轴向船尾到船首,z轴垂直向上,风向为从船首到船尾,逆时针旋转方向为正。计算域为长方体,计算域尺寸分别是11倍船长,宽为10倍船长,高为2倍船长,船体位于计算域底部中心。为满足风向的变化,分别设置2个速度入口和2个压力出口,当风向从船首变换后船尾时,入口和出口设置互换,上璧面和下璧面均设置为滑移璧面,船体设表面置为无滑移璧面,见图1。

图1 计算域与边界条件设置

1.3 计算网格

计算采用采用切割体网格。为呈现良好的上层建筑构型,未对上层建筑结构进行简化处理,对上层建筑的围栏、烟囱、舷墙和救生艇部分进行局部加密,边界层网格采用全璧面处理方式,y+值在30以内,最终船体表面网格对上层建筑形状捕捉良好。计算域网格总数为970万。

1.4 离散格式和数值求解方法

采用StarCCM+进行数值计算,采用有限体积法对控制方程进行离散。控制方程的对流项和粘性想采用二阶离散格式,速度和压力的耦合迭代采用SIMPLE算法。

2 数值结果及分析

以某客滚船作为研究对象进行风载荷的数值计算。该船的主要参数见表1。

表1 客滚船主尺度

关于船舶风载荷,主要关注船舶在风场中收到的纵向力Fx、横向力Fy和首摇力矩Mz,将其转化为无因次化风力和风力矩系数如下。

(1)

式中:ρ为空气密度;V为相对风速;Loa为船舶总长;AF为船体在水线以上的正投影面积;AL为船体在水线以上的侧投影面积。

采用以上计算方法,对该船进行数值模拟,计算结果显示,随着风向角的增加,转首力矩呈现余弦曲线变化,纵向力矩趋势为逐渐变大,但在45°～75°时小范围增加;横向力矩呈现抛物线形式,但在45°～75°附近达到极值。客滚船在45°～75°风向角范围内横向力和纵向力系数均突增,对船舶操纵性影响较大。这与船舶上层建筑的形状相关,不同于集装箱之间存在间隙可保证气流通过,客滚船上层建筑为连续的整体,因此气流只能从船舶首尾两端或者船舶顶端绕过船体,并在背风侧形成涡流场。在45°～75°风向角,横向和纵向的投影面积均较大,对气流的形成影响较大。该船在55°风向角时的压力分布和流线见图2、3,可以看到在首部形成了大量涡流,并产生了一个明显的低压区。

图2 风向角55°船舶表面压力分布

图3 风向角55°船体表面流线分布

为了验证数值计算的准确性,采用Isherwood和Blendermann回归公式对风载荷系数进行验证对比,结果见图4。

图4 3种方法的风载荷系数对比

结果表明经验公式方法计算结果均小于数值计算结果,其中Blendermann方法与数值计算的船舶受风的横向力以及转首力矩的匹配度较高,但纵向力趋势差别较大。另外横向力曲线在风向角在40°～60°及110°～140°时趋势有差异,在风向角为40°～60°时,横向力达到极限值,在110°～140°时,横向力在数值计算中趋势下降,不同于经验公式的极值趋势。而Isherwood方法与数值计算结果差距较大,在纵向力曲线和横向力曲线上的趋势较为一致。

由于Isherwood回归公式的主要船型为散杂货、油船等运输船,对于邮轮、客船等上层建筑丰满的船型缺乏可靠性。而Blenderman回归公式有针对客渡船分类,在本项目中对横向力和首摇力矩预报相似,但对纵向力预报相差较远。综合来看,基于回归公式的计算与数值计算趋势一致,在对纵向力的模拟上效果较差,这与船舶上层建筑的形状相关,经验公式不能较好地回归上层建筑的形状,在预报结果上均偏小,对于后续计算操纵性抵抗极限风值的预报不利。

3 优化设计方案

该船在45°～75°风向角范围内横向力和纵向力系数均突增,对船舶操纵性影响较大,对低速靠港时的操纵性存在较大影响,使得在此风速范围内无法满足规格书要求的抵抗风速。因此考虑在最危险的工况,即风向角为55°时,对上层建筑进行优化设计,见图5。

图5 优化方案示意

由于优化设计与详细设计同步进行,已经无法对结构和造型进行大的调整,因此考虑采用增加挡流板和倒圆角,具体如下。

1)背风面设置5条宽为1 000 mm的挡流板。

2)背风面首部设置3条宽为1 000 mm的挡流板。

3)背风面首部设置3条宽为500 mm的挡流板。

4)背风面设置1条宽为750 mm贯穿船体的挡流板。

5)烟囱倒圆角。

6)船首部设置挡流板。

对以上6种方案进行数值计算,结果见表2。

表2 6种方案减阻效果计算结果对比

可以看到设置挡流板可以有效减少船舶的横向风阻和首摇风阻,有效改善背风面的涡流场;并且,随着挡流板宽度的增加,改善风阻的效果越好。对于优化方案1 (背风面设置5条宽为1 000 mm的挡流板)可增加抵抗极限风速0.5 m/s,横向力和首摇力矩分别下降了4.99%和10.58%,船舶首部的低压明显改善。而对烟囱进行圆角处理对风载荷的改善较小,在船舶首部设立挡流板则对船舶的风阻几乎没有优化效果。

4 结论

基于CFD对某客滚船进行风阻特性的计算分析,计算结果与风载荷经验公式计算进行对比。

表明,经验公式方法计算结果均小于数值计算结果,其中Blendermann方法与数值计算的船舶受风的横向力以及转首力矩的匹配度较高,而Isherwood方法则是船舶纵向力趋势较为一致。考虑到经验公式不能较好地模拟船舶上层建筑的形状,利用经验公式计算客滚船上层建筑的风阻结果偏小,对于后续计算操纵性抵抗极限风值的预报不利。对某客滚船在最危险的风向角工况进行了上层建筑的风阻优化分析,通过在船舶的背风面增加挡流板和倒圆角的方式,设计了6种优化方案,分别进行了数值计算,结果表明设置挡流板可以有效改善背风面的涡流场,随着挡流板宽度的增加,改善风阻的效果越好。