数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术

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1、数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术郭海强，朱仁传，缪国平，余建伟（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200030）摘要以CFD理论为基础，建立了数值波浪水池，给出了一种基于三维数值波浪水池的船舶水动力系数测试与分析技术。对Wigley-III船模在数值波浪水池中受迫振荡进行了数值模拟，计算分析了船体垂荡、纵摇及纵荡运动的附加质量与阻尼，并与三维势流理论计算结果进行了比较，两者吻合良好。此方法能准确给出浮式结构物的水动力系数，细致描述船舶周围的流场，可广泛应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能研究。关键词：船舶、舰船工程；数值波浪水池

2、；CFD；水动力系数；船舶运动中图分类号：U661.7文献标识码：A1引言船舶水动力系数如船舶运动时的附加质量与阻尼系数，是准确预报船舶在波浪中运动的基础。有很多船舶在波浪中运动性能预报的理论方法，包括切片理论、细长体理论、三维频域理论及其各种改进方法等等[1]。这些方法基本上是基于线性势流理论建立起来的。但由于线性势流理论的局限性，很难考虑粘性和非线性的影响，如果不加修正，船舶运动的预报精度较差。因此在工程应用上，一般采用基于实验获得的经验公式或半经验公式对运动计算加以修正[2]，特别是横摇运动。目前获得船舶附加质量与阻尼的试验方法主要分为两种：一

3、种是船舶摇摆的自由衰减试验，但试验结果只能得到在共振频率处的船舶附加质量和阻尼，缺乏频率的相关性；另一种是船舶的强迫振荡运动试验，这虽能给出多个频率下的附加质量、阻尼及水动力，但往往受到试验船模的限制，而且对试验的设备和测试系统要求较高，对此有许多学者仍在致力试验测试系统的研究[3-7]。近年来，随着计算机技术和计算技术的飞速发展，计算流体力学（CFD）也有了长足的进步。基于CFD理论的船舶水动力学方面的数值模拟，因为具有费用低、无触点流场测量、无比尺效应、能消除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响、可获得较为详细的流场信息等优点而广受关注

4、，且应用的范围越来越广[8-11]。本文以CFD理论为基础，建立了数值波浪水池，给出了一种基于三维数值波浪水池的船舶水动力系数的测试与分析技术。文中数值波浪水池的建立，船体在数值波浪水池中受迫振荡的数值模拟实验采用的动网格技术，以及船体运动时的附加质量与阻尼的计算分析，都是基于Fluent商业软件平台的二次开发实现的。还就Wigley-III船模在三维数值波浪水池中受迫振荡进行了数值模拟，船体的附加质量与阻尼系数计算分析结果与势流理论结果进行了比较。对比和研究表明，本文方法能准确给出浮式结构物的水动力系数，能细致描述船舶周围的流场，可广泛用于船舶与海

5、洋工程浮式结构物的水动力性能研究。49卷增刊(总第183期)郭海强，等：数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术592数值波浪水池与船体运动模拟船舶水动力系数的测试试验一般是在物理波浪水池中进行的。而笔者的数值波浪水池中船舶水动力系数测试则是一个仿物理试验的数值模拟计算。仿物理试验水池的数值波浪水池也具备了类似于试验中的造波、消波功能（见文献[12]，鉴于本文未用到水池造波等方面的功能，故对此不予叙述）。数值波浪水池是以多相流理论为基础的，水池形状为一长方体，如图1所示。没有波浪时其上部为空气下部为水，整个流场以连续性方程和N-S方程为控制方程：

6、(u)i0(i1,2,3)(1)txi(ui)(uiuj)uiujpf(i1,2,3)(2)txxxxxiijjii式中，ui为流体质点在i方向的速度分量，fi为质量力，p为流体的压力，流体密度定义为22aqq，其中体积分数aq表示单元内第q相流体占的体积与总体积的比例，并且有aq1，q1q1为相体积分数平均的动力粘性系数，与密度定义的形式一致。自由面的波动是采用VOF方法来追踪的，可写为：a(ua)qiq0，(q1,2)(3)t

7、xi式中a1、a2分别为空气相、水相的体积分数。船舶水动力系数测试的仿物理实验为数值波浪水池中船模受迫振荡试验，用以测试船体的附加质量与阻尼系数。被测试船模将分别在不同频率下以固定幅值作单一模态的振荡运动。假定船体的某一模态的振荡运动可描述为：sin(t)(4)0式中为振荡运动的频率，ξ0和分别为振荡运动的幅值和相位角。由于没有假定运动是微幅的，故式（4）也适用于大振幅的运动，也就是说，测试的结果既可计入粘性影响，又可计入运动、自由面以及船体形状产生的非线性的影响。数值波浪水池中船体受迫振荡运动的模拟采用了移动网格技术(见文献[13

8、])，网格划分均采用结构化网图1三维船模数值波浪水池格。如图2所示，船体位于动态网格区域内，动态网格与船体之