基于CFD的高速船甲板上浪載荷的工程計(jì)算方法

龔 丞，朱仁傳，繆國(guó)平，范 菊

（上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，海洋工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200240）

基于CFD的高速船甲板上浪載荷的工程計(jì)算方法

龔 丞，朱仁傳，繆國(guó)平，范 菊

（上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，海洋工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200240）

結(jié)合勢(shì)流理論計(jì)算和CFD技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，給出了一種快速方便的再現(xiàn)甲板上浪現(xiàn)象的數(shù)值模擬方法。針對(duì)航行中船舶的甲板上浪現(xiàn)象，建立了運(yùn)動(dòng)的局部船艏上浪計(jì)算模型，計(jì)算模擬并分析了甲板上浪的現(xiàn)象及其對(duì)甲板結(jié)構(gòu)的沖擊作用。計(jì)算中船體的運(yùn)動(dòng)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律由勢(shì)流理論給定，并通過(guò)Fluent軟件進(jìn)行CFD計(jì)算模擬再現(xiàn)船舶的甲板上浪。文中對(duì)迎浪狀態(tài)下航行的S175集裝箱船甲板上浪現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明能夠比較準(zhǔn)確地模擬甲板上浪過(guò)程，上浪對(duì)甲板及甲板上結(jié)構(gòu)物的沖擊載荷與試驗(yàn)吻合良好，該方法能夠分析預(yù)報(bào)甲板及甲板上結(jié)構(gòu)物所受的載荷，為工程應(yīng)用提供良好的途徑。

甲板上浪；CFD；勢(shì)流理論；移動(dòng)網(wǎng)格；流動(dòng)與沖擊

1 引 言

船舶在惡劣海況下航行時(shí)，甲板上浪時(shí)常發(fā)生，上浪發(fā)生時(shí)海水涌上甲板，巨大的沖擊力會(huì)對(duì)甲

板上的設(shè)備、貨物和上層建筑等造成破壞，嚴(yán)重時(shí)引起的外部載荷甚至可能導(dǎo)致船舶的傾覆[1]。甲板上浪問(wèn)題很早以前就已經(jīng)被船舶與海洋工程界所關(guān)注，但由于該問(wèn)題屬于強(qiáng)非線性問(wèn)題，數(shù)學(xué)上極難求解，現(xiàn)象十分復(fù)雜，以往理論和數(shù)值研究工作僅是在一定程度上對(duì)甲板上浪進(jìn)行描述，其發(fā)生機(jī)理也尚未給出適當(dāng)解釋，不能直接用于解決實(shí)際的工程問(wèn)題。傳統(tǒng)的做法是將概率過(guò)程[2]與線性水動(dòng)力分析相結(jié)合，來(lái)估計(jì)甲板上浪問(wèn)題[3]。然而，一些針對(duì)FPSO實(shí)驗(yàn)的觀察和描述表明，這種做法難以預(yù)報(bào)上浪的出現(xiàn)和上浪造成的載荷，在應(yīng)用上需要結(jié)合系列的試驗(yàn)和非線性的物理分析，進(jìn)行修正，以提高預(yù)估精度。Stansberg-Karlsen[4]和Hellan等[5]就采用了試驗(yàn)修正的方法來(lái)計(jì)入非線性效應(yīng)。目前，隨著計(jì)算能力的提高以及計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于非線性流體運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)分析，在一定程度上可以替代物理實(shí)驗(yàn)。因此，利用現(xiàn)有的理論和數(shù)值研究的成果，結(jié)合傳統(tǒng)的船舶水動(dòng)力分析方法，可以現(xiàn)實(shí)地解決船舶與海洋工程中的問(wèn)題。

Nielson等[6]利用N-S方程求解器以及VOF方法，分別對(duì)靜止和運(yùn)動(dòng)的船體甲板上浪進(jìn)行了二維和三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明對(duì)固定船體的上浪現(xiàn)象能進(jìn)行有效模擬，而對(duì)運(yùn)動(dòng)的船體和波浪間的相互作用尚不能給出理想的結(jié)果。Hu等[7]采用追蹤自由面的CIP方法在層流假定下實(shí)時(shí)模擬了波浪中的船體運(yùn)動(dòng)和甲板上浪，該方法在一定程度上描述出浮體運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)非線性特征，反映了上浪對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)的影響。Lin[8-10]和梁修鋒等[11]采用移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬船體運(yùn)動(dòng)，在一個(gè)具有造波和消波功能的數(shù)值波浪水池中對(duì)甲板上浪現(xiàn)象進(jìn)行了模擬。研究表明移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的引入能夠模擬船體對(duì)流場(chǎng)的影響，真實(shí)地再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)船體的甲板上浪現(xiàn)象。但研究?jī)H限于無(wú)航速船體，對(duì)有航速的船舶來(lái)說(shuō)，該方法還不能得出有效結(jié)果，且其計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，效率較低。對(duì)具有高航速的船舶來(lái)說(shuō)，甲板上浪的現(xiàn)象相對(duì)比較復(fù)雜，目前的方法還不能得出較好的結(jié)果。

Varyani[12]利用潰壩理論模擬了S175集裝箱船的甲板上浪現(xiàn)象，但是其數(shù)值模型沒(méi)有考慮船體垂向運(yùn)動(dòng)，采用的楔形水體僅包含水平方向速度，得出的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比有一定的偏差，另外作者也沒(méi)有考慮船體外飄等因素產(chǎn)生的影響，不能很好地模擬甲板上水體的流動(dòng)，與工程實(shí)際中甲板上浪有較大的差別。

向紅貴等[13]針對(duì)S175高速集裝箱船的甲板上浪現(xiàn)象，利用勢(shì)流理論與CFD技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行了數(shù)值模擬。盡管計(jì)算中考慮了船體在波浪上的運(yùn)動(dòng)、船體外飄以及波面上涌等因素，但模擬計(jì)算中假定船體不動(dòng)，僅這些因素以相對(duì)運(yùn)動(dòng)的形式寫(xiě)入邊界條件，不能反映真實(shí)情況，尤其是船體與波浪的垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這樣做不能很好地描述甲板上浪時(shí)水體在甲板上以及船體周圍的流動(dòng)情況以及船體對(duì)流場(chǎng)的影響，與實(shí)際情況也有差別。

本文結(jié)合勢(shì)流理論計(jì)算和CFD技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，建立了一種快速方便地再現(xiàn)甲板上浪現(xiàn)象的數(shù)值模擬方法。針對(duì)高速航行船舶的甲板上浪，建立了整船運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)的局部船艏上浪計(jì)算模型，計(jì)算模擬并分析了甲板上浪的現(xiàn)象及其對(duì)甲板結(jié)構(gòu)的沖擊作用。模擬計(jì)算中船體運(yùn)動(dòng)通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律通過(guò)勢(shì)流理論給定，并通過(guò)Fluent軟件進(jìn)行CFD計(jì)算模擬再現(xiàn)了船舶的甲板上浪現(xiàn)象。文中對(duì)迎浪狀態(tài)下高速航行的S175集裝箱船甲板上浪進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明上浪對(duì)甲板及甲板上結(jié)構(gòu)物的沖擊載荷與試驗(yàn)吻合良好，能夠比較準(zhǔn)確地模擬甲板上浪過(guò)程，并能夠?qū)装寮凹装迳辖Y(jié)構(gòu)物所受的載荷進(jìn)行分析預(yù)報(bào)，為工程應(yīng)用提供良好的途徑。

2 甲板上浪的數(shù)值模擬方法

船舶的甲板上浪現(xiàn)象主要是波浪傳播和船舶運(yùn)動(dòng)兩種機(jī)制共同作用的結(jié)果，其發(fā)生過(guò)程大致可分為波浪爬高、甲板進(jìn)水、甲板上水體流動(dòng)以及水體沖擊甲板或甲板室等幾個(gè)階段。甲板上水體的流動(dòng)以及對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。本文針對(duì)迎浪狀態(tài)下高速船舶的甲板上浪現(xiàn)象，著眼于實(shí)際工程應(yīng)用，主要研究甲板上浪過(guò)程中水體的流動(dòng)和對(duì)甲板上結(jié)構(gòu)物的沖擊。在數(shù)值模擬方法中，綜合考慮了船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)、船舶航行中波浪的傳播以及船體外飄對(duì)甲板上浪的影響，采取勢(shì)流理論和CFD技術(shù)相結(jié)合的方法，即基于勢(shì)流理論計(jì)算船體在波浪上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用粘性流理論對(duì)船舶前甲板的水氣兩相流流場(chǎng)進(jìn)行CFD計(jì)算，模擬運(yùn)動(dòng)船體的甲板上浪現(xiàn)象。

2.1 甲板上水體流動(dòng)流場(chǎng)的控制方程

甲板上水體流動(dòng)流場(chǎng)的控制方程包括連續(xù)性方程，N-S方程和k-ε的輸運(yùn)方程，

其中：a1、a2分別為空氣相、水相的體積分?jǐn)?shù)。

對(duì)于高速行駛的船舶來(lái)說(shuō)，甲板上水體流動(dòng)的湍流現(xiàn)象比較明顯，本文采用RNG k-ε湍流模型[14]來(lái)修正湍流粘度，處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大處的流動(dòng)：

2.2 船體在波浪上的運(yùn)動(dòng)

波浪與船舶之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是分析甲板上浪發(fā)生的重要前提，特別是垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。船舶頂浪航行時(shí)，在圖1所示的坐標(biāo)系中，來(lái)波的高度可表示為：

式中：ζa為波幅，k 為波數(shù)，χ為浪向角，ωe=ω-kUcos χ為遭遇頻率，ω 為波浪頻率。

對(duì)于迎浪狀態(tài)下高速航行的船舶，垂蕩和縱搖等垂向運(yùn)動(dòng)對(duì)甲板上浪的程度具有主要的影響，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律也直接關(guān)系到甲板上水體流動(dòng)的模擬。在圖1所示的坐標(biāo)系中，船舶的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)規(guī)律可表示為：

圖1 坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system

式中：zG0，εz分別為船舶垂蕩運(yùn)動(dòng)的幅值和相位；φ0，εφ分別為船舶縱搖運(yùn)動(dòng)的幅值和相位。

2.3 甲板上浪時(shí)波浪的傳播速度

[15]，甲板上浪時(shí)來(lái)波速度的縱向分量vl以及垂向分量vz分別為：

式中：U為船舶的航速，φ0和εφ分別縱搖幅值及其相位；zG0和εz分別垂蕩幅值及其相位；ζa為波幅，k為波數(shù)，ω為波浪頻率，zr0和α分別為船體垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幅值和相位，γ1為舷外飄切線與垂向軸的夾角。

3 算例數(shù)值模擬與結(jié)果比較分析

為驗(yàn)證本文的數(shù)值模擬方法，結(jié)合文獻(xiàn)[16]的甲板上浪實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行計(jì)算模擬和比較。

3.1 S175船模模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算模擬采用船模為集裝箱船S175，其型線圖如圖2所示。

模型試驗(yàn)中，S175高速集裝箱船的模型比例尺為1/70，在船體首部第九站對(duì)稱于中線橫向放置一塊用來(lái)測(cè)量沖擊壓力的直立擋板，其尺寸為15 cm×15 cm，試驗(yàn)中擋板被等分成九個(gè)方塊，并分別布置了壓力片。艏部甲板上設(shè)置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并分別配有探針，用來(lái)測(cè)量甲板上的載荷。其中壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)DP5和DP7（壓力片中心）的位置距離S175首垂線的距離分別為7.86 cm和15.7 cm，DP5距離甲板中線5 cm。模擬甲板上層建筑的矩形擋板被直立地安裝在距首垂線25 cm的甲板中央，擋板上有9個(gè)用于測(cè)試的壓力應(yīng)變片，其中擋板上壓力測(cè)試點(diǎn)LC5、LC8（壓力片中心）距甲板面分別為7.5 cm和2.5 cm，距甲板中心線為5 cm。S175模型和前甲板上的試驗(yàn)儀器布置具體位置參照?qǐng)D3和圖4。

圖2 S175船型線Fig.2 Body plan of S175

圖3 S175模型和前甲板的儀器布置Fig.3 S175 model and measured points on foredeck

模型試驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)的實(shí)尺度的S175船在周期T為12秒、波高為8 m，波長(zhǎng)λ為224.9 m，迎浪規(guī)則入射波作用下的甲板上浪情況，傅汝德數(shù) Fn＝0.3。

3.2 S175集裝箱船的搖蕩運(yùn)動(dòng)計(jì)算

圖4 S175模型甲板直立擋板上的儀器布置Fig.4 Arrangement of load cells on vertical wall of S175 model

船舶運(yùn)動(dòng)幅值的大小直接影響甲板上浪的嚴(yán)重程度，船體運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)也會(huì)直接關(guān)系到船艏甲板上浪來(lái)流的計(jì)算模擬，進(jìn)而影響到本文方法與模型試驗(yàn)的比較和分析。在迎浪情況下，船體六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)中對(duì)甲板上浪現(xiàn)象產(chǎn)生影響的模態(tài)包括縱蕩、垂蕩以及縱搖。由于本文針對(duì)工況船舶速度較高，船體的縱蕩運(yùn)動(dòng)相對(duì)于航速而言可忽略不計(jì)。因此在實(shí)際的模擬計(jì)算中只計(jì)入垂蕩和縱搖這兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，忽略了縱蕩運(yùn)動(dòng)的影響。圖5、6分別為利用切片理論計(jì)算得出的S175船垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)函數(shù)，圖中橫坐標(biāo)均為λ/L，縱坐標(biāo)為無(wú)因次化的運(yùn)動(dòng)幅值，無(wú)因次垂蕩幅值為za/ζa，無(wú)因次縱搖幅值為ψa/kζa。

圖5 S175船垂蕩響應(yīng)函數(shù)（Fn=0.3）Fig.5 Response function of heave(Fn=0.3)

圖6 S175船縱搖響應(yīng)函數(shù)（Fn=0.3）Fig.6 Response function of pitch(Fn=0.3)

3.3 計(jì)入整船運(yùn)動(dòng)的局部船艏上浪計(jì)算模型

一般情況下，船舶的甲板上浪過(guò)程處于一個(gè)波浪周期內(nèi)，而且上浪也主要發(fā)生在船艏部位。甲板上浪對(duì)船艏甲板及設(shè)備等的沖擊破壞作用等現(xiàn)象基本上可以在船艏前甲板所在的局部區(qū)域內(nèi)進(jìn)行討論研究。本文采用了計(jì)入整船運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)的船艏甲板上浪計(jì)算模型，綜合考慮了船速、波浪和船體的運(yùn)動(dòng)等因素，對(duì)甲板上水體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。這一局部的上浪計(jì)算模型可以減少計(jì)算量，使計(jì)算模擬更加有效快捷。若考慮的是頂浪航行的船舶時(shí)，甚至可以使用對(duì)稱模型，使網(wǎng)格減少一半，進(jìn)一步加快計(jì)算速度。

圖7 S175船局部船艏計(jì)算模型Fig.7 Foredeck simulation model of S175

由于甲板上浪主要發(fā)生在船艏部，為了減少計(jì)算時(shí)間，數(shù)值計(jì)算模型只包括了船艏部分，具體區(qū)域?yàn)榇贾恋?站之間的前甲板及其周圍區(qū)域。整個(gè)模型的高度足以超過(guò)來(lái)流的高度，并且考慮到船體的外飄對(duì)船體周圍流場(chǎng)的影響，模型自甲板面向下延伸了10 cm，具體情況如圖7所示。

在本文所采用的方法中，船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格模擬實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)動(dòng)規(guī)律由切片法計(jì)算得到，在數(shù)值模擬中通過(guò)Fluent的用戶自定義函數(shù)接口將船體運(yùn)動(dòng)規(guī)律考慮為整個(gè)模型的運(yùn)動(dòng)，再現(xiàn)甲板上浪時(shí)水體在甲板上的流動(dòng)與沖擊過(guò)程。

在以往的研究中[7-9]，一般采用局部網(wǎng)格移動(dòng)的方法。即整個(gè)計(jì)算域由固定的背景網(wǎng)格和緊貼物體周圍的隨體網(wǎng)格組成，在計(jì)算過(guò)程中運(yùn)動(dòng)物體周圍的流場(chǎng)由兩個(gè)網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行插值得到計(jì)算結(jié)果。或者先行計(jì)算出每一時(shí)刻物體的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)網(wǎng)格的變形和再生實(shí)現(xiàn)物面邊界的調(diào)整。這種方法當(dāng)船體運(yùn)動(dòng)幅度較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格扭曲度增大，進(jìn)而使網(wǎng)格產(chǎn)生負(fù)體積，計(jì)算中斷。因而本文采用了整體網(wǎng)格的移動(dòng)方式，即利用勢(shì)流理論計(jì)算得到的船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作為數(shù)值模型的控制參數(shù)，使整個(gè)模型網(wǎng)格一起運(yùn)動(dòng)，避免了網(wǎng)格的變形和扭曲。

本文的數(shù)值模型中，計(jì)算域的前方、側(cè)面、上方以及下方邊界均設(shè)定為來(lái)流速度入口，后方邊界為壓力出口，甲板面、擋板等則為壁面邊界。

為了驗(yàn)證本數(shù)值方法的有效性和準(zhǔn)確性，數(shù)值模擬中計(jì)算上浪時(shí)水體在甲板上的流動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)沖擊的位置與試驗(yàn)保持一致。數(shù)值模擬的工況也與試驗(yàn)一樣，為實(shí)尺度的S175船在周期T為12秒、波高為8 m，波長(zhǎng)λ為224.9 m，迎浪規(guī)則入射波作用下的甲板上浪情況，其中傅汝德數(shù)Fn=0.3。本文的模擬計(jì)算中，船舶的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由公式（7）和（8）給定，并通過(guò)udf接口賦為動(dòng)網(wǎng)格模型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。甲板上浪時(shí)的進(jìn)水流速的表達(dá)參照公式（9）和（10），并賦為計(jì)算域入口邊界的速度。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在甲板上浪數(shù)值模擬預(yù)報(bào)中，甲板上水體對(duì)甲板以及甲板上結(jié)構(gòu)物的作用力，是工程界一直關(guān)心的問(wèn)題。為此，本文在對(duì)三維的S175的甲板上浪數(shù)值模擬的過(guò)程中，分別對(duì)甲板上的水體流動(dòng)、船體首部甲板的壓力及甲板上的結(jié)構(gòu)物受到的沖擊力進(jìn)行了計(jì)算模擬與分析。

3.4.1 甲板上浪時(shí)甲板上水體的流動(dòng)模擬

在惡劣海況下，波浪與船體相互作用，水體沖上甲板，在甲板上流動(dòng)并對(duì)甲板上的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生沖擊，呈現(xiàn)十分嚴(yán)重的非線性現(xiàn)象。在本文采用的船艏上浪計(jì)算模型的模擬過(guò)程中也充分反映這一現(xiàn)象。圖8和圖9分別為數(shù)值模擬甲板上浪過(guò)程中前期和后期某一時(shí)刻下甲板上水體的自由液面。

圖8 甲板上浪前期自由面波形Fig.8 Former stage of the shape of free surface

圖9 甲板上浪后期自由面波形Fig.9 Later stage of the shape of free surface

3.4.2 甲板上浪時(shí)沖擊載荷計(jì)算的驗(yàn)證

航行中的船舶發(fā)生甲板上浪現(xiàn)象時(shí)，水體在甲板上的流動(dòng)與沖擊會(huì)使甲板以及甲板上結(jié)構(gòu)物承受較大的載荷。圖10和圖11分別表示模擬計(jì)算所得的甲板面上DP5和DP7點(diǎn)處的壓力時(shí)歷曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。甲板上浪過(guò)程中，波浪迅速涌上甲板，流動(dòng)的水體對(duì)甲板的沖擊力迅速達(dá)到最大，但隨著波峰過(guò)去，水體漸漸流出甲板，壓力也逐漸減小。

圖10 甲板上DP5點(diǎn)處的壓力Fig.10 Impact pressure at DP5

圖11 甲板上DP7點(diǎn)處的壓力Fig.11 Impact pressure at DP7

圖12、13和圖14分別為擋板上LC3、LC5以及LC8處受到的水平?jīng)_擊力隨時(shí)間變化的曲線。甲板上浪過(guò)程中，當(dāng)流動(dòng)的水體撞擊到甲板上的豎直擋板，安裝在擋板上的應(yīng)變片開(kāi)始受到水平方向的沖擊載荷作用，此時(shí)擋板所受的壓力大小通常是整個(gè)上浪過(guò)程中的最大值，也是甲板上水體對(duì)結(jié)構(gòu)造成瞬間破壞的最危險(xiǎn)的時(shí)刻。此后，在重力作用下水體沿著擋板上升的速度逐漸減小并開(kāi)始回落，與之相對(duì)應(yīng)的擋板受到的沖擊力也逐漸減小，并產(chǎn)生了第二個(gè)較小的峰值。由圖中可以看出，對(duì)于甲板以及擋板受到的載荷，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

圖12 豎直擋板上LC3處的水平?jīng)_擊力Fig.12 Horizontal force at LC3 on the vertical wall

圖13 豎直擋板上LC5處的水平?jīng)_擊力Fig.13 Horizontal force at LC5 on the vertical wall

圖14 豎直擋板上LC8處的水平?jīng)_擊力Fig.14 Horizontal force at LC8 on the vertical wall

圖15 豎直擋板上的水平?jīng)_擊力Fig.15 Horizontal force on the vertical wall

圖15為整個(gè)豎直擋板所受到的水平?jīng)_擊力隨時(shí)間的變化曲線。由圖中可以看出，當(dāng)甲板上水體撞擊擋板時(shí)，水平?jīng)_擊載荷迅速達(dá)到峰值，但隨著重力作用，水體上升的速度減小，并且逐漸開(kāi)始回落，而且擋板前方滯留的水越來(lái)越多，對(duì)隨后沖擊擋板的水體起到了一定的緩沖作用，因而擋板所受的沖擊力逐漸減小，并產(chǎn)生了第二個(gè)較小的峰值。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合勢(shì)流理論計(jì)算和CFD技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，給出了一種比較快速方便地再現(xiàn)甲板上浪現(xiàn)象的數(shù)值模擬方法。針對(duì)航行中船舶的甲板上浪，建立了動(dòng)態(tài)的局部船艏上浪計(jì)算模型，計(jì)算模擬并分析了甲板上浪現(xiàn)象及其對(duì)甲板結(jié)構(gòu)的沖擊作用。計(jì)算中船體在波浪上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律通過(guò)勢(shì)流理論給定，并通過(guò)Fluent自定義函數(shù)接口賦予動(dòng)網(wǎng)格模型。而甲板上水體的流動(dòng)則利用粘性流理論進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。文中就迎浪狀態(tài)下高速行駛的S175船甲板上浪進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明上浪對(duì)甲板以及甲板上結(jié)構(gòu)物的沖擊載荷與試驗(yàn)吻合良好，能夠比較清晰地描述甲板上浪的過(guò)程，并能夠?qū)装逡约凹装迳辖Y(jié)構(gòu)物所受的載荷進(jìn)行分析預(yù)報(bào)，為工程應(yīng)用提供良好的途徑。

盡管目前的計(jì)算模擬中作了一些簡(jiǎn)化和近似，但是通過(guò)驗(yàn)證表明大部分波浪與船體相互作用的現(xiàn)象已經(jīng)得到了很好的再現(xiàn)。計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，本文對(duì)船舶甲板上浪過(guò)程進(jìn)行模擬再現(xiàn)的方法效果良好。

由于本文采用的數(shù)值計(jì)算模型為船艏的局部模型，其網(wǎng)格數(shù)量較少，計(jì)算速度較快，計(jì)算效率也比較高。著眼于工程實(shí)用，本文使用的方法不失為一有效途徑，這對(duì)進(jìn)一步預(yù)報(bào)甲板上浪時(shí)對(duì)船體、甲板結(jié)構(gòu)物的破壞作用，以及甲板上浪問(wèn)題在工程上的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱仁傳,林兆偉,繆國(guó)平.甲板上浪問(wèn)題的研究進(jìn)展[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2007,22(3):387-395.

[2] Ochi M K.Extreme behavior of a ship in rough seas-slamming and shipping of green water[C]//Annual Meeting of SNAME.New York,1964:143-202.

[3]Faltinsen O M,Greco M,Landrini M.Green water loading on FPSO[C]//OMAE’2001.Brail,2001;see also J of Offshore Mech and Artic Eng.,2002,124:94-103.

[4]Stansberg C T,Nielsen F G.Nonlinear wave-structure interaction on floating production system[C]//Proc 11th ISOPE.Norway,2001:363-372.

[5]Hellen O,hermundstad O A,Stansberg C T.Designing for wave impact on bow and deck structures[C]//11th ISOPE.Norway,2001:349-357.

[6]Nielsen K B,Stefan M.Numerical prediction of green water incidents[J].Ocean Engineering,2004,31(3-4):363-399.

[7]Hu C,Kashiwagi M,Kitadai A.Numerical simulation of strongly nonlinear wave-body interactions with experimental validation[C]//Proceedings of the 3rd Asia-Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics.Shanghai,China,2006:232-236.

[8]Lin Z W,Zhu R C,Miao G P.2-D Numerical simulation for green water on oscillating ships[C]//Proc.of the 3rd Asia-Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics.Shanghai,China,2006:142-147.

[9]林兆偉.甲板上浪的數(shù)值模擬研究[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

[10]朱仁傳,繆國(guó)平,林兆偉,向紅貴.運(yùn)動(dòng)船體甲板上浪問(wèn)題的三維數(shù)值模擬[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,A輯,2008,23(1):7-14.

[11]梁修鋒,楊建民,李 欣.FPSO甲板上浪的數(shù)值模擬[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2007,22(2):229-236.

[12]Pham X P,Varyani K S.Evaluation of green water loads on high-speed containership using CFD[J].Ocean Engineering,2005,32:571-585.

[13]向紅貴,朱仁傳,繆國(guó)平.高速船甲板上浪的水體流動(dòng)與沖擊[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,A輯,2010,25(3):277-284.

[14]Yakhot V,Orszag S A.Renormalization group analysis of turbulence[J].Journal of Scientific Computing,1986(1):3-5.

[15]Vermeer Ir H.Prediction of the amount of shipping water[R].Rep.of The Netherlands Maritime Institute,1980:3-21.

[16]Varyani K S,Pham X P,Crossland P.Green water investigation onboard high-speed container ships using non-linear method[J].Ship Technology Research,2004:1-11.

A numerical method of the simulation of green water on the deck of a vessel

GONG Cheng,ZHU Ren-chuan,MIAO Guo-ping,FAN Ju
(The State Key Laboratory of Ocean Engineering,School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

By taking advantages of both the virtues of potential flow theory and CFD technique,a convenient numerical method to simulate green water on deck is outlined.A moving foredeck model to simulate green water flow and its impact on deck structure for high speed vessels is established.The simulation of green water is carried out on the platform of commercial software Fluent,in which vessel motion is resulted from potential flow theory and realized by using dynamic mesh technique.Green water flow and impact on deck and structure of S175 moving in head sea is numerically simulated and analyzed.The results agree well with the corresponding experimental ones,and it shows that the method can be regarded as an engineering approach to predict and analyze impact loads on floating structures due to green water.

green water;CFD;potential flow theory;dynamic mesh;flow and impact

TV139.2 O242.1

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.05.006

1007-7294（2014）05-0524-08

2013-08-13

龔 丞（1987-），男，上海交通大學(xué)碩士研究生；

朱仁傳（1969-），男，上海交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：renchuan@sjtu.edu.cn。