【Ansys Fluent】壓載櫃設計與操作對艦船穩度之影響
Ansys CFD為泛用型流體力學工具，可以在艦船設計初期，除了船體水下外型的流線設計外，亦可針對其水下外型特性，綜合排水量、浮力、扶正力矩等計算，獲得準確的穩度效率，甚至可在傾側試驗的場景中，得到更進一步的操作以及設計上更優的方案。
圖片出處：美國第七艦隊司令 News | Nov. 27, 2018
自由液面效應在艦船設計上，更是需要考量的要點，下圖為當艦船裝載壓載液體櫃含有自由液面時，右傾會讓液題向右傾斜，因此讓右旋扭力增加，導致船體外型及排水效應產生的浮力矩，有更高的抵抗讓船舶回正。
為何需要做艦船穩度分析
在現今艦艇愈趨功能全面，主甲板以上載種日趨多元，艦船重心(質心)愈發提高，因此現有Compensation Fuel Tank等設計，當燃油經由淨油機給設備消耗後，使用海水導入補償油櫃空間，在低於極限吃水(最大載重)下，維持艦船的低重心位置，以維持穩定度。本文案例在較小型艦艇上(600~700噸)，進行不同壓載櫃配置(操作)的分析，來找出存在自由液面對艦船穩度的影響，船體外型如圖1，四種不同的設計/操作壓載櫃如圖2 – 原始設計、圖3 – 壓載櫃高度降低(一半)、圖4 – 左右舷壓載櫃交聯(下為交聯管、上為通氣管)、圖5 – 單個壓載櫃分別左右平均劃分為2。
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圖1
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圖2 – Case01
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圖3 – Case02
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圖4 – Case03
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圖5 – Case04
條件設置及流場現象
利用Ansys CFD Premium之動態網格(Dynamic Mesh)功能，在設定初始質心、以及udf設定轉動慣量後，則可進行計算。以下是Case04的動態曲線，就船身整體來說，可看到一個船身擺盪週期約35秒，最高的角速度約為0.41Deg/Sec；而質心在水下之深度、以及船體排開水所造成的浮力(升力)，在初始條件進行後，到後期逐漸穩定。
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圖6
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圖7
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圖8
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圖9
現在來看看不同極端Case中壓載櫃的流體瞬間狀況，在12秒的瞬間，船體正往左傾運動，圖10可看到Case04在壓載櫃交聯狀況，櫃中液體大部分還在右櫃尚未流動到左櫃；而圖11 Case01雙櫃隔離的狀況，左側壓載櫃的液體與右側壓載櫃的液體量仍然一樣，影響只有單櫃中自由液面重心轉移的影響。
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圖10 – Case04, 12秒, 往左傾運動中
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四種不同設計操作狀況的綜合分析
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圖12為第2個搖擺週期、40 Sec~50 Sec的角度-時間曲線。可以發現在同樣的艦船載重下(Loading)，Case02去除自由液面效應後，比Case01可在更短的時間內達到傾側角度，這表示艦船反向自由液面會造成一定的傾側反向力矩，導致船體艦身較不容易回正；Case03把單個壓載櫃分為兩個，相較於Case01的狀況，自由液面面積降低可讓穩度更好；而最差的狀況是左右舷壓載櫃交聯，扶正力矩需要抵抗的反向力矩較強，導致回正速度最慢。
以這樣的模擬流程，可在艦船確認好其設備、武器系統配置決定重心，船型設計確認其水下流體性能後，接續進行油/水/壓載櫃(艙)之設計。小結如下：
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在裝備、武器、系統重量、裝配位置等確認後、以及船體形狀完成設計後，使用此分析流程進行壓載油櫃艙等設計，可降低後續高成本修改設計之成本，降低設計錯誤風險。
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壓載櫃的自由液面效應，對艦船設計穩度的影響甚鉅，不容忽視。