一种减阻隔板及其设计方法与流程

本发明属于海洋工程领域，具体而言涉及一种减阻隔板及其设计方法。

背景技术：

月池在海工船舶中有被广泛应用。钻井船或铺管船在钻井或铺设管缆时均需通过月池进行作业。然而，由于月池的使用，月池内部水体在航行或环境波浪的激发下会发生晃荡，水体晃荡会诱发出额外的附加阻力。月池的附加阻力在极端情况下甚至可大于裸船（船体不包括月池部份）阻力，从而大幅增加油耗。

近年来，为了追求更高效率的操作，月池的设计趋向于大型化。以使用双井架设计的钻井船为例，其需要的月池可达42m×15m以上尺寸的开口。大开口月池使得月池中的水体晃荡更加激烈，附加阻力更大，所需的油耗更高。这使得月池减阻技术更具难度且要求更高。

由理论分析可知，月池增阻主要受水体晃荡幅度及流体进出月池的动量所制约。现有减阻措施一般会朝减低水体晃荡幅度及限制月池与外部流体动量交换的方向进行设计。目前流行的减阻装置主要有：增加阻尼以减低水体晃荡的凸缘（flange）、阻尼空腔（dampingchamber）、阶梯月池设计（recess）和约制月池内外流体动量交换的楔形/切口装置（wedge/cut-outdevices）。

一般，对减阻装置的设计需依赖于船模试验才能进行。然而，由于船模试验设备、实验周期及精度的限制，尤其，船模试验时使用缩小模型所伴随的尺度效应会引致减阻效果的不确定及减阻装置精度不足，给出适宜于特定作业水域特点的减阻设计方案代价高昂。

技术实现要素：

针对现有月池减阻结构设计耗时漫长、代价高昂、精度不足且减阻效果不确定的不足，本发明提供了一种用于月池中的减阻隔板及其设计方法，通过减阻隔板分隔月池改变月池水体的晃动模态以减小月池内部水体与月池外流体的动量交换，实现减阻。

为实现上述目的，本发明提供的减阻隔板，用于月池，所述减阻隔板的上部为垂直于海平面的直壁，所述减阻隔板的下部连接有挡板；所述直壁与所述挡板之间连接有连接部；所述减阻隔板的形状与所述月池的后壁配合；航行时，所述减阻隔板设置在所述月池的中部或前部；停驻时，所述减阻隔板贴近所述月池的后壁位置。

可选的，上述的减阻隔板，若所述月池的后壁为圆弧切口，则所述连接部为弧形，且，所述弧形的圆弧半径设置为0.3至0.7设计吃水深度。

可选的，上述的减阻隔板，若所述月池的后壁为折线形切口，则所述连接部为折线形，且，所述折线的夹角设置为10^o至35^o。

可选的，上述的减阻隔板，若所述月池的后壁为直线型切口，则所述连接部为直线形，所述连接部的长度设置为廷伸出月池小于0.5m。

可选的，上述的减阻隔板，其挡板的前端连接所述减阻隔板的下部，所述挡板的后端向所述月池的后壁方向延伸。

可选的，上述的减阻隔板，其数量为单数。

可选的，上述的减阻隔板，所述减阻隔板还连接有滑轮，所述滑轮连接有滑轨，所述滑轨设置在所述月池的前壁和后壁之间，处于甲板上，所述减阻隔板通过所述滑轮的驱动而在所述滑轨上移动；所述减阻隔板还连接有锁定装置；锁定装置包括锚定板和多个锚座，所述锚定板连接在所述减阻隔板上并随所述减阻隔板移动，所述锚座沿所述锚定板的移动轨迹设置在不同位置，所述锚座在所述锚定板嵌入其内时锁定所述锚定板所连接的减阻隔板；航行时，所述各减阻隔板由所述锁定装置固定于所述月池内，并且所述各减阻隔板之间留有间隔距离；停驻时，所述各减阻隔板由所述锁定装置固定，贴合在月池的后壁上。

同时，本发明还提供一种月池中减阻隔板的设计方法，其步骤包括：第一步，根据所述月池、其工作水域和航行特点建立模型；第二步，建立所述减阻隔板的模型，所述减阻隔板的模型其形状与所述月池的后壁形状接近；根据所述减阻隔板的形状确定其下部连接的挡板的形状；第三步，根据上述模型通过数值模拟计算或水池试验测试以获得所述减阻隔板及所述挡板的尺寸、结构参数、位置、数量和间隔距离，以减小航行阻力。

可选的，上述月池中减阻隔板的设计方法中，所述减阻隔板及其挡板的结构参数包括其对应的圆弧半径、折线的夹角、各组成部分的长度或尺寸。

可选的，上述月池中减阻隔板的设计方法中，所述减阻隔板及其挡板的数量为单数个。

有益效果

本发明利用流体力学数值模拟技术或船模试验设计一种用于月池的减阻隔板。该减阻隔板的上部为垂直于海平面的直壁，其下部连接有挡板，所述直壁与所述挡板之间连接有连接部。所述连接部的形状为弧形、折线形或直线形。所述减阻隔板的形状与所述月池的后壁配合，可使月池水体晃动模态改变。航行时，所述减阻隔板设置在所述月池的中部或前部，减阻隔板配合月池后壁的减阻切口可大幅减少海工船舶航行时，由于月池水体激烈晃动的诱发阻力。在停驻状况下进行海工操作时，本发明的减阻隔板会移至月池后壁，避免妨碍海工操作。

进一步，由于被减阻隔板分离的相邻月池，其水体垂向活塞振荡相位相反，因此，当选择奇数个减阻隔板设置在月池中时，月池内水体的附加阻力会被相位相反的垂向活塞振荡交错相减。因而更有利于月池整体净阻力的进一步下降。

减阻隔板下部所连接的挡板，其可进一步降低月池内外流体动量交换，从而，增强减阻隔板的阻隔效果，以进一步发挥减阻隔板的减阻效果。

附图说明

图1是本发明应用于后壁结构为折线形切口的月池的减阻隔板的结构示意图；

图2是本发明应用于后壁结构为直线形切口的月池的减阻隔板的结构示意图；

图3是本发明应用于后壁结构为圆弧形切口的月池的减阻隔板的结构示意图

图4是本发明应用于后壁结构为圆弧形切口的月池后旋涡形态的空泡流示意图；

图5是本发明中多组减阻隔板之间位置关系的示意图；

图6是图5所示相邻减阻隔板之间水体垂向活塞反相振荡的示意图；

图7是本发明中滑槽的连接方式示意图；

图8是本发明中锁定装置的结构示意图；

图9是分隔月池使水体呈垂向活塞振荡的条件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。于此，所描述的实施例显然只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中所述“前”为沿海工船舶航行的方向。

本发明中所述“后”为与海工船舶航行方向相反的方向。

参考图1所示为本发明提供的一种可在海工船舶月池5中水平移动的减阻隔板。该减阻隔板应用于后壁4结构为折线形切口的月池。其上部1为直壁设计。根据月池后壁4外形，隔板下部的连接部2可对应选择为折线型。参考图2或图3所示，若月池的后壁4结构为直线形切口或圆弧形切口，此时，减阻隔板连接部也可相应选择为直线型和圆弧形。

上述结构可通过船模试验或计算流体力学仿真设计，使减阻隔板外形与月池后壁外形充分配合，并获得最佳减阻效果。

具体而言，本发明所提供的减阻隔板，其结构有别于现有减阻装置。现有减阻装置仅通过在月池侧壁上设置阻尼凸缘，以减低月池水体晃荡幅度，约制月池内外流体动量交换，从而达至减阻目的。本发明所提供的减阻隔板，其除了可通过添加如一般的阻尼凸缘以达到减阻目的外，减阻隔板本身还能够直接使水体晃动模态改变而实现对小月池附加阻力的衰减。这是由于：对长月池而言，隔板设置于月池的中部或前部使月池连贯水体变短，月池水体晃动模态因减阻隔板对水体的分割将由原来的水平晃荡变成垂向活塞振荡。若进一步通过船模试验或计算流体力学仿真，设计恰当的减阻隔板的位置分布，将不难得到图4所示的月池内旋涡形态的空泡流（cavityflow）。其中，月池内旋涡形态的空泡流相对稳定，月池内外流体动量的交换被大幅减低，甚至阻断。在此状态下，月池水体晃荡及其诱发的附加阻力将得以大幅降低。

此外，参考图6所示的流体力学仿真结果，被减阻隔板分离的相邻两月池，其水体垂向活塞振荡相位相反，相位相反可使得各月池间的附加阻力交错相减而进一步降低月池整体净阻力。

再者，上述的减阻隔板还可被设置为可移动的形式。参考图7，其可通过设置在月池的前壁和后壁之间的滑轨62和滑轮61的配合而自由移动。其上还可进一步设置锁定装置7，使所述减阻隔板在停驻状况下、进行工程操作时被移放并锁定于月池后部。此时，减阻隔板由于其外形与月池后壁外形接近，因而其相互之间可适当锲合。从而，可降低减阻隔板对月池空间的阻挡、方便工程操作。而航行时，所述减阻隔板可由所述锁定装置通过锁定装置7，具体的，通过锚定板嵌入锚座中而将减阻隔板固定在靠近所述月池的前壁位置。如此，通过将所述减阻隔板锁定在月池中的不同位置，本发明可应对不同航速及吃水下的减阻需求。

一般所述的滑轨-滑轮组合及锁定装置7可置于甲板上不为海水浸泡，减小其腐蚀，并方便维修。减阻隔板具体可通过图8所述的锁定装置实现其固定的目的。所述锁定装置逆时针旋转至锚定位置时，锚定版71完全落入锚座72内，实现锁定；所述锁定装置顺时针旋转至打开位置时，锚定版71脱离所述锚座72，解锁打开。由此，本发明所提供的月池可方便的应用于如钻井、铺管、铺缆等海工作业环境，而不对海工作业造成干扰。

在本发明的较佳实施方式中，月池内减阻隔板的具体参数可根据已有月池后壁形状进行优化。例如，若月池后壁采用圆弧切口设计，则可根据所述月池、其工作水域和航行特点建立模型；根据所述月池的后壁形状选择相似的形状建立所述减阻隔板的模型，根据所述减阻隔板的形状确定其下部连接的挡板3的形状。而后通过船模试验或数值模拟，决定具有最大减阻效果的减阻隔板及所述挡板3的尺寸、结构参数，或所述减阻隔板的圆弧半径尺寸。

例如，在一些实现方式下，减阻隔板为锲合月池后壁形状，其下部根据所述月池后壁而使用圆弧形状，如图4。又若，后壁切口使用折线或直壁形状，为锲合月池后壁，减阻隔板亦会使用折线或直壁设计，但隔板底部会添加水平（或倾斜）挡板，如图1、图2，使隔板更具阻隔月池内外流体动量交换的效果，以进一步发挥隔板的减阻作用。

此外，减阻隔板在月池中的最佳位置也是隔板设计重要参数之一。一般，减阻隔板位置会设置在月池中部偏前方。这使得月池前方开口较小，因而阻力较小；而月池后方则可尽量使用弧形或水平/倾斜挡板，利用挡板的遮敝效应，阻隔月池内外流体动量交换，实现减阻。

针对不同的船速及吃水状况，同样可通过上述建模试验的手段确定减阻隔板的最佳位置，包括其水平及垂直位置。因隔板的设置，月池水体将呈垂直活塞振荡且相邻月池水体振荡相位相反。一般确认最佳位置时仿真测试优化目标可选取的准则为：使月池水体振荡振幅最小。

在本发明的又一实现方式下，参考图5，若月池为超长月池，则可采用多隔板设计。一般，减阻隔板数越多，减阻效果越佳；且单数隔板会较双数更佳。单数隔板将月池水体分隔为双数个区域，双数个水体区域其两两的附加阻力由于水体的振动相位相反而可最大程度的互相抵消。因而，单数个减阻隔板的设置，会使得月池减阻效果较佳。但考虑多隔板系统的复杂性以及操作的便利性，一般设计会以最小隔板数为首选。

本发明针对月池中减阻隔板的设计方法，其主要包括：1.根据月池后壁外形，减阻隔板会尽量采用能与其充分契合的形状；2.被隔板分隔的小月池长度需使其内的水体晃荡呈垂向活塞振荡；根据吃水d及月池宽度b，小月池长度lsub可以图9中的设计曲线初步决定；3.以流体力学数值模拟或水池试验微调隔板位置并优化挡板3长度使月池增阻在预设航速及吃水条件下减至最小；4.计算(流体力学数值模)或量度(水池试验)作用于减阻隔板荷载并以此设计隔板及锁定装置的结构尺寸。由此实现对减阻隔板的设计，由此设计的减阻隔板分隔月池改变月池水体的晃动模态以减小月池内部水体与月池外流体的动量交换，实现减阻。

综上，本发明的可移动的减阻隔板，其上部为直壁设计，其下部根据月池后壁外形，相应选择隔板下部几何外形为直角型、连续折线型或曲线型。通过船模试验或计算流体力学仿真设计可使隔板外形与月池后壁外形充分配合，且可通过对其结构尺寸参数的优化而获得最佳的减阻效果。对停驻状况工程操作时，隔板会被设置在贴近月池后壁的位置，如图1至图3的b处。隔板外形与月池后壁外形适当锲合，以减低隔板对月池空间的阻挡、以方便工程操作。在航行时，隔板需移动且锁定在月池中的特定位置，如图1至图3中的b位置或以图5的方式设置减阻隔板，以应对不同航速及吃水下的减阻需求。

移动隔板的滑轨一般会置于甲板上，保证其不为海水浸泡，减小腐蚀且方便维修。隔板的固定会以图8的锁定装置实现。移动减阻隔板设计可为多隔板系统，对长月池进行最大化减阻，如图5。

为使减阻效应发挥至极至，移动式隔板下端需特别设计，使得进入月池的动量减至最少，以减少月池水体激烈晃动，达到月池减阻的效果。本发明对移动式隔板的优化一般会依据设计航速、月池尺寸及已有的月池后壁减阻切口形状，通过模型试验或计算流体力学模拟实现。其中优化参数包括：减阻隔板及所述挡板3的尺寸、结构参数、隔板施放于月池中的位置、数量和间隔距离。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。