船舶风载荷研究方法的对比分析

船舶风载荷研究方法的对比分析

船舶的负荷对船舶的航行性能和操纵性能有显著影响。在船舶港口作业、驳船顶推作业、船舶港口系泊和动力定位等特殊工况下,船舶风载荷的影响更显重要。同时,随着绿色船型研究逐步深入,IMO提出的新船能效设计指数(EEDI)的逐步实施,风载荷研究越来越多地走进业内人士的视野。首先总结船舶风载荷的主要研究方法与研究现状,并以一艘5万吨级油轮为研究对象,对船舶风载荷不同计算方法进行算例计算和比较分析。1风压、船模和风压系数的回归公式风洞试验是将加工制造出的缩尺物理模型置于特定实验室内(实验室能模拟满足一定条件的风环境),通过测力天枰、压力传感器、喷雾拍照等设备和技术测量出模型的受力情况,并提供测量点的流场信息。风洞试验是目前获得风载荷最为准确的方法,但是具有试验成本高、试验周期长等缺点,对每一条船均进行风洞试验是不切实际的。在工程应用中,涉及到船舶风载荷的估算时大多会使用各类经验公式。至今,国内外许多学者提出了多种风载荷的计算经验公式。在国内,汤忠谷在风洞中对13条定型船模进行了风压试验,测定了海船上层建筑风压系数及风压中心位置,并归纳出风压横倾力矩的回归公式;洪碧光选择了50条船模风压系数的风洞试验数据作为回归样本,采用5个易于得到的基本船型系数,得出一种由船型数据来估算风压系数的新方法。国外,Isherwood对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,该方法对多种船型适用,并可以计算全风向角工况;Gould设计一套用于预报船舶上层建筑风力和风力矩的数值计算程序,讨论了有效相对风速问题,并提出了指数风剖面模拟公式;VanBerlekom根据风洞试验的数据,分别研究了油船、集装箱船及滚装船不同风向角下的迎风风力系数,提出基于迎风风力系数的船舶迎风风阻力计算公式,即范·伯利柯姆公式;Blendermann提供了一组系统、全面的船舶风载荷试验数据,并推导了船舶纵向风力、横向风力、艏摇力矩和横倾力矩的计算公式,他还提出关于使用风洞数据预报非均匀流风载荷的修正方法;OCIMF提供了一套计算超大型油轮的计算方法,给出了不同球鼻艏和不同载况下的风载荷系数,还提到该风载荷的经验公式和计算流程在计算较小型的油船时仍能够有一定的精度;M.R.Haddara使用神经网络技术提出一套计算船舶风载荷的通用计算公式;ToshifumiFujiwara通过逐步多元回归分析,提出一套计算船舶风载荷的计算公式。1.3风场数值模拟策略余力指出目前用于计算船舶风力的风力系数一般取自经验、半经验公式和风洞试验数据。但是,随着计算机的不断发展,基于风洞试验原理,结合计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)理论的数值建模计算研究越来越受到学者们的关注。较之传统的风洞试验,数值模拟有以下特点:(1)成本低,所需周期短、效率高;(2)不受模型尺度影响,可以进行全尺度模拟;(3)方便变化各种参数,便于进行多方案对比,利用研究。Ignazio等采用CFD方法对帆船进行风场数值研究,以既有的风洞试验数据为依托,针对不同湍流模型、不同网格尺度进行了阻力和升力的计算结果比较,验证了数值计算能够满足一定的工程精度,通过比较发现realizablek-epsilon湍流模型和风洞试验结果更加吻合;JamesS.Forrest对simplefrigateshape(SFS)的风场进行数值建模,采用非定常计算策略,对时间步长的选取做了敏感性分析,比较了CFD模型缩尺尺寸和实船尺寸间的区别;吕红探讨了大型舰船气流场数值模拟策略,分析了气流场分布规律,并进一步探讨了海浪和风联合作用情况下的舰船气流场数值模拟策略;曾向明等,选取6种形状的风帆,利用某大学的低速风洞实验室对其进行风洞静力五分量的测力试验,获得相应的空气动力学特性;赵强利用CFD数值计算工具对一集装箱船水线以上部分(含集装箱)进行CFD数值模拟,计算结果和范·伯利柯姆方法进行了比较,数值计算结果和经验公式吻合较好。2不同计算方法的验证以一艘5万吨级油船(船长183.2m,型宽32.2m,型深18.2m,设计航速15kn)为研究对象,分别对其在给定工况下的受风载荷进行风洞试验测量、经验公式估算和数值模拟两类方法的计算,对比分析计算结果,比较不同计算方法的有效性。以风洞试验结果为依据,着重分析选用的经验公式估算精度,旨在通过对比分析,了解经验公式的有效性,比较不同经验公式的精度差异,为工程进行风载荷估算提供借鉴。2.1z轴侧向水下使用固定在船体上的右手坐标系,坐标原点固结在船舯剖面、中纵剖面和水线面相交位置,x轴指向艏部,y轴指向右舷,z轴指向水下。船舶正迎面为0°风向角,风向角逆时针旋转。在工程应用中,比较关心船舶在风场中所受到的纵向力Fx、横向力Fy、艏摇力矩Mz,便于比较,将其转换为无量纲化系数,相应的风力(矩)系数定义如下:式(1)~式(3)中:ρ为空气密度;V为相对风速;LOA为船舶总长;AF为船舶水上部分正面投影面积;AL为船舶水上部分侧向投影面积。2.2船模与盘显示的装置设计测力试验在同济大学风洞试验室TJ-2大气边界层风洞完成。该风洞是一座闭口回流式矩形截面风洞,试验段尺寸:宽为3m、高为2.5m、长为15m,试验风速为0.5~68m/s连续可调。试验船模设计为可以拼接的分块刚体模型,船模形状与船模缩尺比为1∶120(见图1)。为模拟水面以及消除天平、连接件等对气流的干扰,设计了测力系统支架。该支架由十字形钢板、近似椭圆形有机玻璃薄板以及两者之间的支架组成,在试验中被安装在风洞转盘上。船模呈水平状态安装于风洞中,与支架分离,由安装在转盘上的六分量应变天平支撑(作用在船模上的气动力由该天平测量)。船模与转盘可以在风洞室控制下进行360°旋转,从而进行不同风向角工况下的测试。测量时设定风向角从0°~180°每隔15°为一档进行吹风测力试验。2.3风力系数公式选用3种常用的,普遍认为具有较高精度的经验公式进行算例计算。Fujiwara等人分析包含船体、舵、螺旋桨和上层建筑的模型在风浪中的受力情况。模型的风致载荷使用式(4)~式(6)计算,公式由船模的风洞试验和实船的主尺参数给出。式(4)~式(6)中:CX(ψ)、CY(ψ)和CN(ψ)分别为船舶纵向风力系数、横向风力系数和艏摇力矩系数。在纵向风力系数公式中,F′LF为纵向流阻力(longitudinal-flowdrag),F′XLI为升力及诱导阻力(liftandinduceddrag),F′ALF为纵向附加阻力(additionallongitudinaldrag);在横向风力系数公式中,F′CF为横向流阻力,F′YLI为升力及诱导阻力。C为船侧受风动压力中心到船舯的水平距离;ψ为相对风向角。2.3.2船舶风荷载系数估算公式Blendermann通过模型的风洞试验,整理出一套系统的风载荷数据。从一系列不同船型的风洞数据分析中,Blendermann提出了船舶风载荷系数估算公式:式(7)~式(9)中:CX、CY和CM分别为船舶纵向风力系数、横向风力系数和艏摇力矩系数;ε为相对风向角,AT为船舶水上部分正面投影面积;AL为船舶水上部分侧向投影面积;SL代表船舶侧面受风面积形心到船舯剖面的水平距离。参数CDT、CDL和δ的取值可以在相应文献中找到。2.3.3风荷载分量系数-风向角曲线OCIMF在报告中详细阐述了超大型油船的风载荷计算步骤,给出了船舶风载荷系数在不同风向角、不同载况(满载和压载)下的曲线图(风载荷分量系数-风向角曲线,见图2)。报告中还比较了常规的“V”型艏与比较饱满的“U”型艏在风载荷系数上的差异。经验公式中的风力(力矩)系数的数据来自60年代在密歇根大学进行的风洞试验。文中还提到,该风载荷的经验公式和计算流程在计算较小型的油船时仍能够有一定的精度。2.4网格划分及边界条件首先在GAMBIT软件中完成几何建模。建模时,把实船中对风载荷影响很小的构件进行省略或简化。最终数值几何模型见图3(a)。参考新的方法对模型进行网格划分及流域构造,该方法参考了物理风洞原理,如图3(b),将计算域分成内域和外域,内、外域交界面通过interface边界进行信息传递。船模置于内域中,将内域设计成圆柱体形,能围绕其轴心做任意角度旋转。数值计算时,只需进行一次流域构造、网格划分和边界条件定义,即可实现任意多风向角工况的计算,大大减小了建模的工作量。船模表面网格采用三角形pave划分,结构角隅处加密处理,使用尺寸函数进行体网格加密(见图4)。整体上,在近域使用非结构网格形式,远域使用结构网格形式。以压载工况为例,最终网格总数536.9万个,非结构网格361.7万个,占网格总数的67.37%,非结构网格质量较好,网格的偏斜率>0.75的仅有116个,在网格总数中几乎可以忽略。在船体及上层建筑表面使用无滑移边界条件(wall边界),流域空气入口选用velocity-inlet边界,空气出口选用pressure-outlet边界,流域其他边界采用symmetry边界。定常计算,并选择realizableκ-ε两方程湍流模型配合非平衡壁面函数。船模分别在压载和满载载况下、风向角从0°~180°每隔15°为一档进行数值计算。2.5计算结果比较将计算结果按照式(1)~式(3)分别进行无量纲化后,根据不同风向角与不同载况(压载和满载)整理成风载荷系数曲线图(见图5~图7)。限于篇幅,仅对11m/s风速下的计算结果进行比较分析,经验公式估算和数值模拟结果与风洞试验值吻合程度都比较好。其中,风力艏摇力矩系数与横向风力系数的吻合程度更好些。2.5.1经验公式与试验结果的比较从图5~图7可以总结出,满载工况下,数值结果与试验值吻合度较好;压载工况下,数值结果与试验值吻合度较差。原因是:(1)数值计算时,压载的几何模型比满载多出了一层曲率复杂的船壳模型,给网格划分和数值计算精度的保证带来更多的难度;(2)风洞试验时,压载工况的船模比满载工况船模结构复杂,增加了测量误差。在本算例中,经验公式对船模纵向风力系数CFx的预报在各个风向角都偏低,特别是压载顺风(180°)时,经验公式值误差最大;相比而言,日本的Fujiwara给出的经验公式与试验结果吻合较好。经验公式对船模横向风力系数CFy的预报上,风向角在60°~120°的预报值,各个经验公式之间、压载和满载之间的差异比较明显。在压载工况下,Fujiwara和OCIMF的经验公式值与风洞试验结果吻合度较好;在满载工况下,只有Fujiwara的经验公式值与试验结果吻合度最好,其他的经验公式值与试验值偏差较大。比较而言,Fujiwara的经验公式在对本船的横向风力系数CFy预报较准确。经验公式对船模风载荷艏摇力矩系数CMz的预报上,压载工况下的预报比满载工况下的预报准确。压载工况中,Fujiwara和OCIMF的经验公式值与试验结果较为吻合;满载工况中,经验公式的预报结果不够理想。整体而言,在本算例中,认为日本的Fujiwara等人提出的经验公式在预报上述风载荷系数时,结果比较准确,能够满足研究及工程精度要求。3cfd有效性验证首先介绍了船舶风载荷的主要研究方法与研究现状,并以一艘5万吨级油轮为算例对象,分别对其受风载荷进行了风洞试验测量、经验公式估算和数值模拟两类方法的计算,将计算结果两两对比分析,比较不同计算方法的有效性。通过分析比较,得到以下结论:1.风洞试验可以得到可靠的船模风载荷系数,但是研究成本高,周期长。2.采用合适的CFD手段