海上风电场维护船船型总阻力和纵摇升沉运动研究

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(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

现有的海上风电场多采用小型的船舶作为工作人员的交通和风机塔柱的维护，目前小型船舶的研究开发已比较成熟。双体船由于具有良好的阻力性能、宽敞的甲板面积和优越的稳定性能而越来越多的被应用。评估双体船的性能一般可以通过相关图谱或理论公式来进行，但上述方法不能有效地反应船型变化对阻力和耐波性的影响，对于改进的双体船，可以通过船模试验或利用CFD软件数值仿真来进行。本文根据海上风电场的实际情况和使用要求，分析小型单体船、双体船、多体船对于海上风电场的实用性，拟定适合风电场较大风浪时双体维护船型方案。

1 船型方案确定

1.1 海上风电场及风电维护船现状

现有的海上风电机组的维修主要包括定期维护(检查、清洁等)、故障维修(某种程度的故障检修，如手动重启或更换主要部件)和备件管理三部分。

海上风电场不同于陆上风电场，由于气候条件、潮汐变化以及船舶等多种因素的制约，使得运行维护人员难以到达风机塔筒对风机进行消缺、检修。据国外相关研究统计表明，现有的小型船舶由于耐波性能不够，在海上风浪达到1 m左右的时候就不能出航对风电机组进行维护作业，因而会造成风电场无法正常运营。

目前，国内一些正在运行的海上风电场，如东海大桥海上风电场，主要借助于租用的船舶进行日常风机维护及工作人员的交通运输。一般而言，租用的船吨位比较大，并且由于此类船舶自身的船型设计并不符合靠离风机塔座的要求，再加上船舶吨位较大等因素，以至于在船舶靠离风电机组的时候经常会发生撞击塔基的情况。

1.2 海上风电场维护船使用及性能要求

海上风电维护船主要用于风电场工作人员从陆上到风电场的水上交通运输以及日常的风机维护。考虑到航行时人员的舒适性以及工作的效率，要求维护船具有一定的耐波性及快速性能，使得风浪较大时，在保证维护人员安全的前提下可以出航作业。根据国内外正在运营的风电场维护船经验，一般选用常规推进的小型船舶即可满足上述使用要求，同时又能提高经济性能。

1.3 海上风电场维护船型介绍

海上风电比较发达的欧美国家，一般使用小型的船舶接送人员出入，以及进行日常的风机维护工作，这种船舶有单体船型和双体船型，在一定程度上提高了船舶的快速性和耐波性。

对于小型船舶，本身受波浪的影响比较大，所以在船型选择及型线设计时，快速性能和恶劣海况下的耐波性能应是考虑的重要问题。

常规单体船型主要有圆舭形、尖舭形、深V形或者三种船型的组合船型。进入在20世纪80年代，出现了小水线面单体船(SWASH)概念，船型大体上是小水线面双体船的单侧船体。法国和日本学者提出，水下浮体为主、水翼为附属装置的小水线面单体船方案，正常航行时船体处于半潜状态，具有良好的阻力性能和耐波性能[2-3]。

双体船中具有代表性的三种船型分别为常规双体船、小水线面双体船以及穿浪双体船。其中具有代表性的双体船为穿浪双体船(WPC)。穿浪双体船是在小水线面双体船和高速双体船的基础上发展起来的一种新型高性能排水型船舶。高速穿浪双体船保留了小水线面双体船的低阻，高耐波性以及常规双体船甲板面积宽敞等优点，同时融汇了深V船型的特点，也克服了常规双体船的连接桥离水面高度小等缺点。因此，穿浪双体船特有的船型构造赋予其高速、优良的耐波性、稳性好、舒适、吃水浅、甲板宽敞和回旋性能好等高水平的综合航海性能。

1.4 维护船型的确定

目前，多种多样的船型各有利弊。单体船建造方便，但在风浪较大的海面上，小型的单体船横摇性能比较差，容易使人员晕船，降低了工作人员乘船的舒适性，甚至由于较差的横摇性能而危及人员的生命安全。

双体船具有较大的型宽和片体间距，有良好的横摇缓和性能。高耐波性双体船型中，小水线面双体船和穿浪船型无疑是良好耐波性能的代表者。但由于小水线面双体船较薄的流线型支柱和较深的吃水给小型船舶主机的布置带了一定的困难，因此并不完全适用于小型双体船。穿浪双体船虽综合了小水线面双体船和深V船型的优点，但其复杂的船体结构和尖瘦的片体形状大大增加了建造难度和成本。为了满足风电场的使用要求和舱室布置并借鉴国内外风电维护船型经验，本文选用常规双体船型，根据小水线面双体船以及穿浪双体船的优点进行改进，作为风电场维护船。

2 设计船主尺度系数确定

本设计船型给定主机功率为每台370 kW，要求设计航速20 kn。根据文献[2-6]中涉及到的双体船尺度，对其主尺度进行了统计和归纳总结。可以看出，目前已建造的实船或是设计的船型主尺度范围比较集中于：LPP/b=9～11；b/T=1.5～2.5；K/b=2～3；L/▽1/3=5.76～6.55。下面根据设计手册要求及相关规范进一步确定本双体维护船型系数。

2.1 维护船尺度系数范围选择

与单体船相比，由于双体船具有较宽敞的甲板面积，因此最小船长的确定往往不取决于总布置等方面的要求，一般应从最小总阻力的观点来确定最佳船长。对于中高速双体船，剩余阻力占总阻力的比重较大，因此船长的选取应尽量从减小剩余阻力的角度考虑。船长的选取应尽量避免使剩余阻力处在Fr=0.40～0.60的峰值附近。

由双体船的剩余阻力曲线(船模试验结果)，选弗劳德数Fr=0.7～0.8，此时，剩余阻力曲线较平坦，属于中高速双体船。

2.1.1 片体长宽比L/b

对于中高速双体船，随着航速提高，摩擦阻力和剩余阻力逐渐趋于相等，片体干扰阻力占总阻力的5%～8%，剩余阻力曲线趋于平缓，变化有规律。这时，适当加大片体宽度和减小吃水和船长以争取较小的湿表面积和降低空船重量是恰当的，一般取L/b=8～12。本设计船在参照有关资料和母型船主尺度系数范围的基础上，取L/b=9。

2.1.2 宽度吃水比b/T

由于双体船的b/T对阻力的影响主要表现在片体摩擦阻力上，与普通双体船一样，减小片体宽度b和增大吃水T对减小摩擦阻力是有利的。因此，从降低阻力的角度考虑b/T，参考现有船舶，设计船初步定为b/T=1.5～2.0。

2.1.3 片体中心距比K/b

2.1.4 长度系数ψ=L/▽1/3

长度系数ψ=L/▽1/3是影响阻力的最主要因素，片体长度系数ψ增大，片体本身的剩余阻力减小，片体间的阻力干扰减弱特别是片体间的兴波阻力附加干扰减弱。因此双体船的长度系数在满足使用要求的条件下可以适当取大一点。结合母型船统计资料确定ψ=L/▽1/3=5.76～6.55。

2.1.5 片体方形系数Cb

参照母型船统计资料，取Cb=0.40～0.45。

2.2 维护船主尺度确定及建模

根据2.1中确定的主尺度系数范围并参考相关资料及设计手册[7]，选择船型系数范围并根据设计要求通过VC++语言编程筛选，最终确定设计船的主尺度为LPP=19 m，D=2.1 m，B=7.8 m，T=1.1 m，b=2.1 m。

根据确定的主尺度，应用船舶设计软件NAPA建模并调整型线，使其排水量、浮心位置、方形系数以及舱室大小等满足设计要求。常规双体船模型见图1。

图1 NAPA中生成的常规双体船船体曲面和艏部型线

在大风浪情况下，从提高双体船的纵摇和升沉角度考虑，结合小水线面双体船和穿浪双体船的船型优点，设计出一种改进船型。艏部采用深V-凸型，片体7.5站(按10站考虑)以前的艏龙骨下沉到基线以下，下沉体的横剖面类似水滴形状，艏部主船体部分型线在设计吃水位置片体宽度最窄，艏部横剖线类似水滴状见图2b)。这种设计使得船体设计水线更加平直，进流角更小。舯部采用圆舭向折角过渡线型，艉部采用折角线型。为了满足机舱布置的需求，本设计船在船中后机舱区域型线相对比较丰满，改进双体船的NAPA建模见图2。

图2 NAPA中生成的改进型双体船船体曲面艏部型线

3 阻力仿真及计算分析

3.1 CFD仿真计算

3.1.1 计算区域与网格划分

计算域的选取应既能保证对流场信息的捕捉，又可减少网格的数量。考虑到实船计算所需的流场区域大，网格数量过多，目前的计算机水平难以短时间计算出所需的结果。将设计船按10∶1的比例缩小为船模，根据船舶的对称性，取一半的船模进行计算，这样在保证计算结果的前提下节省了网格数量。通过对流场分析并参考文献[8-9]对常规双体船模选取计算区域为10L×2.5L×2L，船模水池入口距船艏2L，水深1.25L。

网格划分采取分块划分的方法，船体周围区域采用四面体网格，其它区域则采用6面体网格，网格划分时先划分6面体网格，再划分船体附近的4面体网格，以利于网格之间的过渡。为了详细捕捉流场信息，对自由液面处以及船体附近网格进行加密[10]，网格划分见图3。

图3 自由液面处网格划分示意

3.1.2 边界条件的选取

边界条件的选取应符合实际情况才能保证数值模拟计算更接近实际。计算区域边界条件包括：水池入口处采用速度入口，出口处采用压力出口、船体、池壁和底部采用壁面条件，由于采用一半的船模计算，所以在对称面采用对称边界条件，水池顶部采用壁面边界条件。具体设置如下。

1)水池入口处给定设计航速的速度场。

2)出口处边界设为静水压力。

3)指定池壁和底部的剪应力为零。

4)船体表面引入标准壁面函数。

3.2 阻力结果分析与比较

Fluent计算常规和改进双体船，数值水池稳定后的常规双体船实船总阻力Rt=53.6 kN，改进双体船实船总阻力为Rt=47.6 kN。先将阻力仿真结果与按照文献[10]中的回归公式计算得到的结果相比较，见表1。

表1 双体船阻力结果比较

由以上比较可以得出如下结论。

1)Fluent计算常规双体船结果与回归公式计算结果接近，对于改进双体船，一般经验公式不能满足计算需要，可用常规双体船仿真方法计算其阻力。

2)改进双体船型在设计水线处由于具有较小的进流角，使其阻力性能较常规双体船型优越。

4 纵摇及升沉运动响应研究

应用NAPA基于切片理论计算的耐波性计算模块SHS-Seakeeping，对设计载况下的双体船片体进行纵摇及升沉运动分析计算。得到两个船型的片体在航速V=0 kn和V=20 kn以及浪向角θ=150°和θ=180°下的纵摇及升沉运动传递函数。

4.1 响应函数

计算中用到的响应函数定义为

升沉：Hz(ω)=zα/ζa

纵摇：Hθ(ω)=θα/ζa

式中：za——升沉幅值，m；

θa——纵摇幅值，(°)；

ζa——波幅，m；

ω——波浪圆频率，rad/s。

4.2 计算结果及分析

图4、5分别表示两种船型在不同航速、不同浪向角下的纵摇、升沉响应函数，图中横坐标表示波浪长度与船长之比，纵坐标表示纵摇、升沉响应幅值。

4.2.1 纵摇运动响应结果及分析

由图4可见，维护船在停航作业时，两种船型的纵摇幅值都比较小。在浪向角分别为150°和180°情况下，改进船型的纵摇幅值比常规船型纵摇幅值小，且波长与船长之比在1.4左右时，纵摇响应幅值达到最大。同一船型，当浪向角为150°和180°时，最大响应幅值相差不大，且随着航速的增大，最大纵摇响应幅值逐渐变大。

4.2.2 升沉运动响应结果及分析

由图5可见，维护船停航作业时，常规船型和改进船型的最高升沉幅值都趋于1，并且两种船型升沉响应曲线几近重合。当航速为V=20 kn，共振区的运动频响函数明显大于1，且改进船型的升沉幅值小于常规船型。航行状态时，对于同种船型，当航速或浪向角增大时，频率响应幅值逐渐增大。波长与船长之比在1.5左右时，升沉响应幅值达到最大。当波长大于5L时，升沉幅值逐渐趋于1。

图4 不同浪向角下两种船型的纵摇响应

图5 不同浪向角下两种船型的升沉响应

5 结论

1)双体船的主尺度确定除了需要满足规范要求之外，还可以参照已建成的或已设计出并得到认可的双体船主尺度来选取。

2)双体船主尺度的选择跟单体船类似，需满足相应的浮力和快速性要求。

3)Fluent仿真计算双体船舶的静水阻力结果比较可靠，当理论公式不能较好地适合设计船型的阻力估算时，可采用CFD数值仿真方法。

4)改进船型的艏部片体型线有效地减小了进流角，增加了船舶的纵摇和升沉阻尼，提高船舶的阻力性能，改善了船舶的耐波性能。

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