舭龍骨對(duì)船舶橫搖阻尼影響的水動(dòng)力分析

劉暢　林南盛　林慰

摘 要：本文采用粘性 CFD 方法，在 Fluent 商業(yè)軟件平臺(tái)上研究沿海航標(biāo)工作船中部若干典型橫剖面在設(shè)計(jì)狀態(tài)下進(jìn)行強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力特性。通過獲取強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)下所受到的橫搖力矩，由擬合方法求解出這些典型橫剖面在安裝或不安裝舭龍骨情況下的橫搖附加阻尼，進(jìn)而評(píng)估加裝舭龍骨裝置以減少船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的效果。

關(guān)鍵詞： CFD方法；舭龍骨；橫搖附加阻尼

中圖分類號(hào)：U664.7+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：With the commercial software Fluent， the viscous CFD method is employed to study the rolling hydrodynamic characteristics on several typical sections of the coastal navigation mark ship which is assumed in the forced rolling motion. According to the rolling moment obtained from the forced rolling motion， rolling damping is obtained through the numerical fitting approach for the typical sections， where the sections would be taken with bilge keel installed or not installed. Finally， the reduction of rolling effect is assessed by the installation of bilge keel.

Keyword： CFD method；Bilge keel；Rolling damping

1 引言

廣東沿海大型航標(biāo)船主要用于起吊、維護(hù)保養(yǎng)廣東省沿海航道的浮標(biāo)航標(biāo)，同時(shí)又可以兼顧運(yùn)輸浮標(biāo)航標(biāo)。由于沿海作業(yè)區(qū)海況復(fù)雜，為防止船舶在作業(yè)或運(yùn)輸過程中發(fā)生劇烈橫搖運(yùn)動(dòng)，船型設(shè)計(jì)應(yīng)盡量增大船舶橫搖阻尼，有效降低船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)幅值。

舭龍骨（也稱減搖龍骨）作為減少船舶搖擺的簡(jiǎn)便而有效的一種裝置，幾乎被所有海船所采用[1]。舭龍骨主要安裝在船舶中部 1/4 ～ 3/4 船長(zhǎng)范圍內(nèi)，其減搖作用的大小由舭龍骨的形狀、安裝位置、尺寸大小等決定。在舭龍骨安裝過程中，為得到較大的橫搖阻尼作用，在橫剖面上舭龍骨安裝的位置應(yīng)在半寬線與基線的交點(diǎn)至船舶重心的連接線上，但不能超過船舶的半寬線與基線的范圍。

本文在綜合考慮船型設(shè)計(jì)和舭龍骨安裝工藝的基礎(chǔ)上，選取工作船中部 1/4 ～ 3/4 船長(zhǎng)范圍內(nèi)數(shù)個(gè)典型橫剖面，采用 CFD 方法在Fluent 商業(yè)軟件平臺(tái)上建立各個(gè)橫剖面的水動(dòng)力數(shù)值模擬計(jì)算模型；基于工作船設(shè)計(jì)狀態(tài)下的吃水、給定重心高度和橫搖周期，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬，通過水動(dòng)力分析擬合求解這些典型橫剖面在安裝或不安裝舭龍骨情況下的橫搖附加阻尼，分析加裝舭龍骨裝置降低船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的效果。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 控制方程

3 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

3.1.1 船舶橫剖面模型

舭龍骨主要設(shè)置在航標(biāo)船中部的 1/4～3/4 船長(zhǎng)范圍，本文選取中部第5、10、12、13、14站五個(gè)典型橫剖面，研究其在設(shè)計(jì)狀態(tài)下安裝或不安裝舭龍骨的橫搖運(yùn)動(dòng)特性。

3.1.2 舭龍骨模型及其參數(shù)

3.2 網(wǎng)格劃分及 CFD 參數(shù)設(shè)置

在處理程序 ICEM 上完成計(jì)算區(qū)域的水動(dòng)力網(wǎng)格剖分，計(jì)算流域取為160 m × 95 m，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行剖分，以便在變化曲度較大的舭龍骨附近生成質(zhì)量較好的網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)域的范圍應(yīng)盡量大以起到一定的消波作用，避免波遇到圍避面后產(chǎn)生二次反射干擾。

對(duì)計(jì)算區(qū)域設(shè)置邊界條件：底部為固壁邊界；其它為對(duì)稱邊界。

流場(chǎng)計(jì)算中壓力 - 速度采用SIMPLE 方法進(jìn)行迭代求解，動(dòng)量方程中的瞬態(tài)項(xiàng)采用一階隱式差分格式，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的離散都采用二階迎風(fēng)差分算法。計(jì)算中采用VOF方法追蹤自由液面的波動(dòng)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，時(shí)間步取周期的 1 / 400 ～ 1 / 200 有較好的計(jì)算速度和收斂性。在Fluent模擬過程中需采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行剖面運(yùn)動(dòng)時(shí)的網(wǎng)格重劃。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

基于上述模型和參數(shù)設(shè)置，船舶橫剖面以5.732s為周期、0.1rad為幅值、3.486 m 為重心高度，在設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下以的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)。

以第 10 站橫剖面為例，強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示。通過UDF獲取各個(gè)橫剖面模型在強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)下所受橫搖力矩的時(shí)間歷程，根據(jù)公式 （6） 求取其擬合函數(shù)，如圖3所示。進(jìn)而可根據(jù)擬合函數(shù)的力矩幅值和公式 （7） 求取其響應(yīng)的橫搖附加阻尼。如圖3所示力矩幅值為23.437 kN·m，附加阻尼為213.813 kN·s。

通過模擬計(jì)算，獲取其它各個(gè)橫剖面在設(shè)計(jì)狀態(tài)下安裝或不安裝型舭龍骨的橫搖力矩，并取其平穩(wěn)時(shí)間歷程進(jìn)行比較，其具體結(jié)果如圖4及表2所示。

從表2及圖4可看出：

1）各橫剖面不安裝舭龍骨時(shí)其橫搖力矩曲線相對(duì)不穩(wěn)定，而安裝舭龍骨后的橫搖力矩曲線更加穩(wěn)定；

2） 加裝舭龍骨可以大幅提高船舶的橫搖力矩，從而大幅增強(qiáng)其橫搖附加阻尼，各橫剖面增加效果可達(dá) 50% ～ 100%。

第 10 站計(jì)算橫剖面的流場(chǎng)圖如圖5所示。由圖5可看出，本文方法可以細(xì)致地捕捉到舭部和舭龍骨周圍產(chǎn)生的渦。由于船舶主要做小角度橫搖運(yùn)動(dòng)，其在自由液面的興波比較小，其渦的擴(kuò)散比較明顯，而在舭龍骨附近，渦更加集中。

5 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬研究廣東沿海大型航標(biāo)船中部數(shù)個(gè)典型橫剖面安裝或不安裝舭龍骨在強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)下的水動(dòng)力特性。通過獲取各個(gè)橫剖面在強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)下所受的橫搖力矩，擬合求解出橫剖面在安裝或不安裝舭龍骨情況下的橫搖附加阻尼和無因次化阻尼。經(jīng)比較可知，安裝舭龍骨可顯著增加船舶橫搖諧搖的附加阻尼系數(shù)，有效降低橫搖幅值。

參考文獻(xiàn)

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