波浪中多船近距离并行航行的水动力干扰研究.pdf

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1、应用数学和力学，第３５卷第４期ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ２０１４年４月１５日出版Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．４，Ａｐｒ．１５，２０１４文章编号：１０００⁃０８８７（２０１４）０４⁃０３８９⁃１２ⓒ应用数学和力学编委会，ＩＳＳＮ１０００⁃０８８７波浪中多船近距离并行航行的∗水动力干扰研究许勇，董文才（海军工程大学舰船工程系，武汉４３００３３）摘要：采用三维势流理论及多体动力学理论建立了波浪中近距离并行航行多船波浪作用力及运动响应的计算模型．为考虑航速效应对船体间自由面的影响，采用三维移动脉动源Ｇ

2、ｒｅｅｎ（格林）函数来模拟船间的辐射波及绕射波．采用该数学模型求解了零航速及有航速情形下两船近距离并行时的流体动力项及运动响应，和模型试验结果比较验证了方法的可靠性．将该方法推广至三船并行航行的情形，重点分析了三船并行时水动力干扰和两船并行时水动力干扰的差异．关键词：水动力干扰；多船；波浪作用力；运动响应；移动脉动源中图分类号：Ｕ６６１．３２；Ｏ３５２文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３８７９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００⁃０８８７．２０１４．０４．００５引言波浪中近距离航行两船或多船水动力干扰的理论研究一直是船舶流体力学中的一个

3、经典而又重要的研究课题．其中确定波浪中航行补给时舰船的波浪力及运动响应就是一个典型的案例．航行补给时两船（或多船）在有限间距范围内同速、同向航行，在静水中两船内侧的流场发生干扰，会产生相互作用力，可能使船体产生横向运动而危及船体的安全航行；在波浪中船体会产生摇荡运动并传播辐射波，入射波在遭遇船舶时产生绕射波，各船的辐射波及绕射波传递到毗邻船体并产生新的激励作用，这种新的激励必然影响船体的摇荡运动，同时还会形成新的绕射，从而形成船体间的波浪干扰，因此求解有航速船体的辐射⁃绕射波是研究并行航行的多船间水动力干扰的关键，本文

4、重点讨论船体间的这种波浪干扰．这种干扰可能加剧各船的波浪载荷和运动响应，导致补给困难或补给失败，而且还可能使船体发生碰撞，产生不必要的事故和人员伤亡．随着我海军舰艇编队远洋航行和护航任务的增加，航行补给时间的增长、补给舰和被补给舰种类的增多，航行补给所涉及的水动力干扰问题更为复杂．为提高补给效率，航行补给将不仅仅只在两舰之间开展，还会出现多舰补给的工况．因此开展波浪中多船水动力干扰的理论研究，不仅具有理论研究价值，而且具有现实意义．［１⁃２］求解波浪中近距离船体间水动力干扰的理论方法主要包括切片法、势流和粘性流相结［３

5、⁃４］［５⁃１０］［１１⁃１２］合的混合方法、三维势流方法及三维势流时域法．切片法无法考虑流体对船体的∗收稿日期：２０１３⁃１０⁃０８；修订日期：２０１４⁃０３⁃１３基金项目：国家自然科学基金（５０８７９０９０）；水动力重点基金（９１４０Ａ１４０３０７１２ＪＢ１１０４４）作者简介：许勇（１９８１—），男，湖南岳阳人，博士生（通讯作者．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｎａｎｃｙ２３６７０＠１６３．ｃｏｍ）；董文才（１９６７—），男，武汉人，教授，博士生导师（Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈａｉｇｏｎｇｄｗｃ＠１６３．ｃｏｍ）．３８９３９０许勇董文才三维动

6、力效应，限制了其预报精度；势流及粘性流相结合的方法目前还处于二维阶段，仍无法应用于多个复杂船体水动力干扰问题；三维势流方法则多采用脉动源Ｇｒｅｅｎ函数法，当有航速时其预报的辐射波及绕射波为环形波，难以正确反映船体间真实的波浪干扰，常在船体共振频［１０］率处出现数值共振现象；文献［１０］将三维移动脉动源Ｇｒｅｅｎ函数用于求解有航速时两船的水动力干扰问题，其精度要高于脉动源Ｇｒｅｅｎ函数预报结果，并消除了在船体共振频率处脉动源Ｇｒｅｅｎ函数预报所出现的数值共振．该函数严格满足有航速时的线性自由面条件，可较真实［１０，１３］

7、地模拟船产生的辐射及绕射波，适合求解多个船体间及多体船片体间的波浪干扰．本文采用三维势流理论，以该函数为基本内核，建立了多船水动力干扰的预报模型，通过模型试验验证了该方法的可靠性，重点分析了三船并行和两船并行时水动力干扰的差异．１基本方程１．１速度势设Ｎ艘船以相同航速Ｕ近距离同向航行在规则波中，为分析船体间的水动力干扰，在各船船体上建立随船正交坐标系Ｏ⁃ｘｙｚ（ｌ＝１，２，…，Ｎ），其中各坐标系的ｘＯｙ平面均处于未扰动ｌｌｌｌ的自由面上，Ｏｚ轴铅直向上并通过各船的重心，Ｏｘ轴正方向平行于船体航速方向，Ｏｙ轴指向各船的左

8、舷为正．假定各船航行时的静水阻力由各船推进器产生的推力平衡，船体的摇荡运动和操纵运动可以分离，各船通过操舵来保持航向以避免碰撞．假设流体是不可压的理想流体，密度为ρ，整个流域内流动无旋．设水深无限，并忽略流体的表面张力．各船视为刚体，并在各自平衡位置作六自由度的摇荡运动．进一步假定入射波为微幅波，则各船各模态的摇荡运动可视为频率为