对海上三体船操作和维护的特征参数和阻力图谱的研究
Yue Chen
Lingyu Yang
Yi Xie
Song Yu
中国江苏科技大学海军建筑与海洋工程学院，
摘 要
本文确定三体船主体和片体的体积比和它们的操纵和维护的特征参数。采用数值模拟技术分析和计算三体船主体和片体体积比的不同。在此基础上，本文对改变主体和片体的相对位置尝试，最终得到三体船具有最佳阻力性能的参数和阻力图谱，以便为海上风电场维修三体船特征参数选择提供了新的途径和阻力估算。
关键词：风力发电维护，三体船，特征参数，CFD，阻力图谱
引 言
随着海上风电场的快速发展，风力发电机组的日常维护开始出现问题。操作和维护船舶是海上风电场不可缺少的载体，其性能直接影响到风机的维护。
海上风电场主要采用小型单体船型或双体船型。当风浪大时，小型单体船不能满足操作和维护的需求。双体船比单体船具有更大的甲板面积其稳定性也得到了很大改善，但更可能扭曲和急速摇摆。三体船具有更好的耐波性，而且比起单体船和双体船它的快速性能更好。并且安全性能也得到了一定程度的改善，所以三体船在风电的运行与维护方面引起越来越多的关注。
目前，超高速细长三体船主要用于军事用途的研究，主要在以下几个方面：（1）[1] 三体船主、片体的型线的确定；（2）主体和片体的相对位置。通过理论和实验研究的方法来确定的片体的合理位置，研究片体的位置，对称性，排水量和不同兴波阻力的攻角；（3）数值阻力预测：包括模型试验、理论计算和数值模拟；（4）对三体船的操纵研究。目前，很少有研究片体排水量对高速三体船[2]性能的影响。此外，数值模拟或实验方法广泛应用于三体船阻力的估算，但在高速三体船的阻力估算有些困难。本文尝试通过研究高速三体船的阻力性能、主体和片体的相对位置和排水量，从而得到高速三体船的阻力估算图谱，为估算三体船的特征参数和估算阻力提供一定的参考和帮助。
对三体船特征参数的确定
主要因素
主要船体元素
操作和维护三体船的主要元素，如表1所示
表1 主尺度要素
|
项目 |
主体 |
片体 |
|
水线长（m） |
20 |
7.5 |
|
型宽（m） |
4 |
1.5 |
|
水线宽（m） |
3.8 |
1.2 |
|
型深（m） |
2.5 |
2 |
|
吃水（m） |
1.2 |
0.7 |
|
方形系数 |
0.41 |
0.41 |
|
排水量（t） |
38.7 |
2.6 |
主体和片体的相对位置
三体船主体的相对位置由横向空间B和纵向空间L表示，如图1所示。由于片体相对位置的不同对阻力和耐波性能差异更为明显的影响，不同的位置对三体船的性能产生很大的影响[3]。
图1 主体和片体的相对位置
基本船型，片体的艉封板与主船体艉封板齐平，横向空间B 是船宽的101.25, 4.05 m.
船体模型
根据尺度，三体船的主体和片体采用圆舭型的型线设计，片体对称布置在主体两侧，NAPA被用于设计船体型线，所建模型如图2所示
图2 三体船模型
特征参数
本文研究了两个特征参数：片体排水量和主体相对位置。
片体体积占整体排水量的比例
对于三体船，船舶主体较为细长，单侧片体的排水量通常小于总排水量的百分之10，风电场维护主要包括维护人员的运输和风电塔的登陆或离开，需求快速高效的船舶。由于风电场的环境恶劣。对于船舶的操控和维修需要有良好的稳性、快速性和耐波性能，因此片体的拍数量大于超高速三体船，占基本船型排水量的百分之12.考虑到船舶维修作业性能研究的需要，本文确定了三种百分数9/15/18百分号。
主体和片体的位置参数
（1）纵向位置
由于存在片体，三体船的阻力变得复杂。主体和片体的相对位置对三体船的阻力产生巨大的影响。主体和片体之间的波浪干扰对三体船的阻力影响很大，如果片体的位置合适，三体船 的阻力性能将大大减小。因此本文定义了三个不同的纵向位置。船中（l=0），船舶舯后部分（l=3.175m）,船舶尾部（l=6.35m）以研究阻力的影响。
（2）横向位置
同样片体不能太靠近主体，因为主体的横摇将变得越来越大并且产生流阻效应，也不能太大。这将削弱片体和主体之间的干扰，因此横向强度和连接桥的稳性很难保证。本文确定了四种不同横向空间b：3.9m，4.05m，4.2m，4.4m，去研究阻力的影响。
阻力数值模拟
仿真方法研究
三体船模型可以被导入CFD FINEMarine做模拟设计，但是，仿真方法必须验证。本文选择了一艘有船模阻力实验数据的三体船，其尺寸如表所示。
表2 三体船模型尺度
|
项目 |
水线长（m） |
型宽（m） |
吃水（m） |
排水量（kg） |
方形系数 |
|
主体 |
1.94 |
0.4 |
0.11 |
33.1 |
0.436 |
|
片体 |
0.695 |
0.14 |
0.085 |
2.95 |
0.416 |
三体船的模型如图三所示。
图3 计算模型
计算域和网格
计算领域的选择不仅可以确保流场信息的捕获，而且可以减少网格数量。考虑到模拟流场需要大量的网格，很难在短时间内得到所需要的结果。本文设计了1:10的船舶模型。根据船舶的对称性，将船舶模型取一半进行计算，以确保结果并减少网格数量。基于对流场和参考文献的分析，选择的计算域为10Ltimes;2Ltimes;2.5L，拖曳水池入口从船头2L，深度1.25L。
计算域网格划分不仅要考虑网格的质量，还要考虑流场的流量特性。
Hexpress六面体结构化网格划分适应全船。第一步，初始网格生成，第二步，初始网格细化。网格细化仅对表面附近的初始网格单元有效。应标注需要细化的初始网格单位，然后根据指定的细化标准对标记的网格单元进行连续的分辨。每次做分辨率时，需要消除计算域外的网格单位。然后弄清楚是否需要另外一个分辨率。消除与曲面相交的网格单元，以在表面附近形成梯形分布网格。船体几何文件导入HEXPRESS生成网格如图4所示。
图4 网格生成
图5 设置边界条件
边界条件
保存网格文件并将其导入FINE/Marine进行参数设置。计算参数主要包括状态参数、边界条件、船体定义、船体运动参数、初始化参数、控制计算参数和数值方法参数。便捷条件的选择应与实际情况一致，以确保数值模拟接近实际。FINE/Marine边界条件包括三种类型：固体壁、流场边界和对称边界（图5）。固壁边界条件包括滑移壁面，防滑壁和壁面函数。在本文中，甲板设置为滑动壁，船体表面设置为墙壁功能。FINE/Marine为边界条件下的边界计算提供了四个边界定义：远场，规定压力，零压力梯度和波发生器。在计算区域的边界条件是：计算域的顶部和底部设置为压力条件，另一方向设置为加速远场边界。由于半船模型计算的结果，将对称平面设置为对称边界。
结果
采用FINE/Marine分水岭分割方法和边界条件的定义方法，在比例1:10，航速为20KN，模拟阻力为48.36N接近实际船型模拟实验结果50.17N,因此，上述方法可以用于对具有不同特征参数的三体船进行数值模拟分析以预测阻力。
不同片体排水量的影响
本文采用上述方法分别对不同排水体积比进行了四组数值模拟计算。比例因子为1:10，船速为20kn，船型阻力计算方案如表3所示
表3 四种船模阻力计算方案
|
方案 |
1（9%） |
2（12%） |
3（15%） |
4（18%） |
|
阻力（N） |
49.134 |
49.428 |
51.816 |
50.954 |
通过比较，发现当片体排水量占总排水量的9%时，船舶阻力较小。同时，方案二的阻力接近于方案一。因此，当船体排水量占总排水量的9%-12%时，阻力性能较好。主体和片体在这个比例范围内能产生有利干扰。
研究片体的不同位置
考虑到初始重心高度和稳定性收到方案一中小片体的影响。本文采用方案二的数据，占比12%来研究片体在不同位置对阻力性能的影响。三个纵向长度，船中，船舯后，船尾，横向空间b值为3.9米，4.05米，4.2米，4.4米。
当横向空间b = 4.05 m时，CFD数值模拟的分析结果如表4所示三组不同的纵向位置：
表4不同纵向位置下船模阻力
|
纵向位置 |
船中（l=0m） |
船舯后（l=3.175m） |
船尾（l=6.35m） |
|
阻力（N） |
55.298 |
56.624 |
49.428 |
通过比较三组不同纵向位置的阻力数据，发现片体艉封板与船体横梁齐平时阻力最小。四组数据模拟计算采用不同的横向位置，缩放因子为1:10，船速为20kn，船舶模型阻力四种方案如表5所示。
表5 不同横向位置的船模阻力
|
横向位置（m） |
3.9 |
4.05 |
4.2 |
4.4 |
|
阻力（N） |
50.886 |
49.428 |
51.632 |
52.610 |
从四个横向空间计算结果可以看出，随着横向空间的逐渐增加，阻力值在初始阶段下降，然后增加。 当横向空间b = 4.05 m时，阻力最小。 因此，当横向空间b = 4.05 m时，阻力性能最好。通过比较，侧船尾尾板与船体船尾横梁平齐，横向空间为101.25％b时，阻力性能最好。
阻力图的产生
对于片体，主体和片体之间存在干扰阻力。到目前为止，没有图表和公式能估计三体船的阻力。本船进行模拟计算，结合9％，12％，15％，18％和横向空间b = 97.5％B，101.25％B，105％B，110％B的比例，侧面船体在中间，后期 和后尾。 缩放因子为1:10，弗劳德数= 0.73。 阻力图（图6）。
结论
海上风电场需要运行和维护船舶。 船舶的良好表现对于完成海洋条件恶劣的作战任务非常重要。 本文以排水量比值和相对位置为特征参数进行数值模拟分析，得出以下结论：
（1）片体排水量为总位移量的9％〜12％时，三体船的阻力性能较好。
（2）片体尾尾板与船体船尾横梁平齐时，横向空间为101.25％B，三体船的阻力性能较好。
（3）本文使用的数值模拟方法更可靠，获得的阻力图谱在三体船估计中具有参考价值。
参考
1、Wang Xianjun [D]. of Harbin Engineering University masterrsquo;s degree thesis of engineering calculation of shallow water body resistance, 2006.3
2、Li Peiyong. Multi hull Ph.D. perf
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