船舶风载荷的研究进展和展望综述

    王志浩 赵天翔 宋强 王文杰

    摘 要：风载荷是船舶航行中环境载荷的一个组成部分，对船舶航行安全及节能减排具有重要意义。船舶在航行过程中，其横向角速度波动程度较大，可见船身横向宽度对外界干扰较为敏感，为减少干扰载荷对船舶运动的影响，可适当增加船身横向宽度，在船舶设计过程中，结合船舶风载荷研究中现场实测、风洞实验和数值分析三种方法，对风载荷的研究进展进行论述。最后结合船舶在风载荷方面的现有研究成果及发展趋势，对风载荷研究工作在船舶行业的应用前景进行了展望。

    关键词：风载荷;船舶;节能减排

    1 风载荷概述

    风载荷，即动压力，是工程结构因为空气流动而导致的压力。最早是在1889年由著名的埃菲尔铁塔的设计者Gustafo Eiffil提出的，起初应用于建筑学，随后随着空气动力学的发展，逐渐应用于很多领域。其和地面粗糙度、建筑体型以及基本风压相关。其变化可划分为两大块，其一即为长周期部分，往往超过十分钟;其二即为短周期部分，一般仅为数秒。为便于开展分析，常常分解实际风载荷为脉动以及平均风载荷两大块。因长周期比普通结构自振周期明显更大，所以平均风载荷作用于结构时，即等同于静力作用。而脉动风载荷则具备较短周期，在时间变化的同时，强度因此而变化，以动力作为作用性质，由此使得结构振动。对于舶舶风载荷而言，一直以来都不被人重视，但随着海洋工程装备的不断发展，以及人们对于海洋资源的开发利用，船舶风载荷才渐渐引起了人们广泛的关注。船舶风载荷的计算方法也成了人们不断研究并探索的课题。船舶风载荷很大程度上会对操纵、航行性能产生影响。若为特殊工况，如动力定位、驳船顶推作业等，则其影响将更为突出。

    2 船舶风载荷研究目的和意义

    2.1 船舶的节能

    在设计海洋、船舶结构物结构时，风载荷往往作为负荷的关键因素，但却被人所忽略。正因如此，由风导致的力矩以及力，才引发了诸多海洋结构物以及船舶等事故的发生。所以，以风载荷作为关键因素这一方面来看，估计是否准确将产生极为重要的影响，相关人员需对此予以关注。因其会对运营进程中的海洋、船舶结构物的安全造成影响。

    就离岸结构、或船舶而言，当遭受风载荷时，如集装箱船，具有极大的结构受风面积，不仅会因风导致的联合水荷载受到影响，风荷载也将直接影响船体结构，此时对应的动力载荷相当大。在海洋以及船舶结构物中，风载荷属于极为关键的环境负荷，不论是在操纵船舶、还是推进效率方面，均可发挥极为关键的作用。此外，就船舶动力定位、拖曳等状况之下，风载荷的作用也极为突出。所以，可准确对数值进行计算，方可使得结构物、风的作用以及影响得以显著减少。如对风荷载进行计算，由此可对稳定性、推进等进行分析，此外还包括动态定位的分析等。

    2.2 船舶航行定位

    在定位以及船舶航行时，风场将对此产生作用，所以对其承受风载荷予以准确估计，并对船舶运动进行预报，极为必要，并且在分析操纵、推进性能以及稳定性来看，帮助相对较大。就动力定位来看，对风场流动如何影响船舶压力进行准确评估，对风载荷进行计算，对于风场影响的减少具有极为关键的作用。若并未运用锚泊系统来定位船舶，则提前对周边环境进行评估极为关键，需要关注的是，虽然海洋环境风力一般都会对船舶产生影响，但人们对此的关注度不够，由此也导致诸多具体案例的发生，人们才对此重要性有所认识。对比海浪、洋流的作用而言，风才是最为广泛的对船舶动力定位系统产生的干扰因素，风不仅会影响海浪，也会直接在船楼、船体部位造成影响，并进而影响运行。所以，在对动力定位系统进行研发时，如何实现风力对运作影响的减小，是作为研发者而言首先需探究的关键问题。就拿“东方之星”客轮沉没事件来说，造成其倾覆的主要因素之一就是江面上突如其来的龙卷风。相比于洋流和海浪对于船舶的作用，风对于船舶动力定位系统的干扰最为广泛，海面上的风不但会对海浪造成影响，还会直接作用在船体及船舶的上层建筑上，对船舶的姿态产生影响。因此在设计船舶动力定位系统时，如何减小风力对于该系统运作的影响，是非常值得设计者考虑的因素之一。由此可見风载荷部分是动力定位系统中最值得去优化的环节之一，这对于提高动力定位系统的稳定性与精确度有着极为重要的现实意义。

    3 研究方法及进展

    3.1 风洞试验测量

    最初，风洞试验被运用于流体力学。将物体模型、飞行器放置于风洞之中，对气体流动、模型的互相作用进行探究，进而对物体、飞行器具备的空气动力学特性进行认识的空气动力试验方法。在船舶研究方面，风洞试验是一种将加工制造出的缩尺船舶模型置于能模拟风环境的特定实验室内，通过先进的测量设备和技术，测得船舶模型的受力情况及测量点的流场信息的研究方法。风洞试验是当前获得船舶风载荷较为准确和可靠的方法！在船舶的风场和风阻力的研究中起着重要作用。但其依然存在诸多缺陷：其一，边界干扰或效应;其二，支架干扰;其三，相似准则无法满足。就船体的具体表现如下，试验过程中需对几何缩尺模型加以运用，无法对模型细节响应风载荷予以全面体现;开展试验的费用偏高，周期相对较长;在设计船舶结构方面，需对多个方案加以对比，但无法同时开展风洞试验。所以，在线性优化船舶方面，这一试验依然具备局限性。

    3.2 经验公式估算

    当前，有关风载荷的诸多计算经验公式已经由各国学者提出，目前认可度比较高的是国外一些学者研究的经验公式，加以对比分析，选择应用。比如Isherwood等学者，选取大量相关数据，并针对此开展多元回归分析工作，提出对风压力矩以及船舶风压力矩进行计算的回归公式，本方法可适用于诸多串行，且可对全风向角工况进行计算。在中国北海，Chen等学者开展了风载荷模拟实验，以1∶100作为比例尺。测量了八个方向、来自甲板的风速。对五个攻角之下对应结果进行获取。具体结论如下，即风速针对脉动、平均风速产生了较大影响。Gould则对船舶上层建筑风力矩以及风进行计算、预报的程序进行设计，对有效相对风速问题进行探究，且对指数风剖面模拟公式进行总结。结合风洞试验具体数据，VanBerIekom则针对各个风向角之下，滚装、集装箱船对应的迎风风力系数，对以此为基础的船舶迎风风阻力计算公式进行总结。也就是范·伯利柯姆公式。以全面、系统的一组船舶风载荷实验数据为基础，Blendermann对船舶横倾力矩、横向、纵向风力等的计算公式进行推导，并且对不均匀风速之下，如何结合风洞数据来对风载荷进行计算的方法进行总结。此外，通过在密歇根大学开展的风洞试验数据的运用的基础之上，OCIMF就针对超大型油轮进行计算的方法进行总结，对各种载况之下对应风载荷系数予以罗列，还表示，即便对较小型油船进行计算时，这一经验公式、计算流程依然具备一定精度。

    但是，上述公式在计算相应特定船型风载荷方面，往往结果无法取得良好的一致性，具体原因在于，经验公式的推导，以试验获得数据为基础。而风洞数据往往具备有限以及局限性，并最终影响计算结果的准确度。针对上述问题，M.R.Haddara通过神经网络技术的运用，对船舶风载荷进行计算的通用公式进行总结，并对油船进行选择，验证了这一公式，进而认识到，对比其他经验公式而言，这一方法的精度明显更高。此后，在风载荷计算方面，Toshifumi Fujiwara则运用了成分分离型理论，该方法即划分在船体作用的风压为交叉流体、主流、诱导阻力。

    3.3 数值建模计算

    在计算机日益发展的同时，以风洞试验原理作为基础，并通过计算流体力学理论的运用，学者们更为关注这一数值建模计算。对比传统试验而言，其具备的特点包括如下：

    ①成本偏低，且效率高，研发周期相对较短;

    ②模型尺寸不会对此产生影响，可结合微观视角对流场的任意流动状况进行查看;

    ③便于对各类参数的变化，并完成多方案對比探究等。

    就结合数值模拟计算风载荷而言，国内外学者对此开展了诸多探究，如通过CFD方法的运用，Ignazio针对帆船开展了风场数值探究工作。通过各类网格尺寸、湍流模型的运用，开针对帆船完成诸多建模，对升力、阻力大小予以计算，对计算可使得工程精度得以满足进行验证，结合对比后认识到，更加吻合于风洞试验结果的为realizable k-epsikon湍流模型;通过ANSYS软件的运用，张金鹏针对非满载状态的集装箱船的风阻开展了探究工作。通过理论分析计算结果、对数值模拟计算的对比，就集装箱船风载荷的计算而依然，数值模拟是否可行性进行验证。James.Forrest则针对SFS风场开展数值建模工作，对非定常计算策略加以运用，并针对选择时间步长开展敏感性分析工作，对实际船体、CFD模型压缩尺寸对应的差异进行对比。

    4 结语

    从目前船舶风载荷的研究来看，风洞实验虽然较为可靠和准确，但是从结构模型利用率低、模型制作到实验完成的周期、支架干扰、风洞洞壁干扰等问题也是当前风洞实验面临的重要问题，风洞实验与3D打印技术、自动控制技术等国内先进技术的紧密结合，将大幅度提高风洞实验数据的精度和可靠性。

    参考文献：

    [1]陈前昆，尹奇志，等.船舶风载荷研究进展及发展趋势[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2015（08）.

    [2]陈刚，汪怡，等.自升式钻井平台风载荷试验研究[J].船舶工程，2012（03）.