Wigley船波浪增阻研究

牟晟伯

摘 要：以黏性理論為基礎(chǔ)，基于N- S方程和標準k-ε湍流模型， 采用VOF方法追蹤自由面， 利用CFD方法建立了具有造波和消波功能的數(shù)值波浪水池，模擬了波浪的生成與傳播。同時，計算了Wigley在規(guī)則波浪中的水動力性能。計算結(jié)果表明，本文的三維數(shù)值波浪水池性能良好，使用的方法可以準確地模擬波浪的運動，計算的波浪增阻為船舶波浪阻力的預報提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：CFD；數(shù)值波浪水池；波浪增阻

中圖分類號：U661.31+1 文獻標識碼：A

Abstract：Based on the viscosity theory， the N-S equations and the standard k-ε turbulence model are used to calculate the added resistance， the VOF method is used to track the free surface， the numerical wave tank is established to simulate the wave generation and propagation by CFD method. At the same time， the hydrodynamic performance of Wigley in regular waves is calculated. The numerical results show that the performance of the 3D numerical wave tank is good and the method can be used to simulate the wave motion accurately.

Keywords：CFD； Numerical wave tank； Added resistance in waves

1 引言

當海水受海風的作用和氣壓變化等影響會形成海上波浪，波浪是一種周期性的起伏運動。船舶在波浪中的水動力性能直接影響其能耗的利用，可見波浪對船舶的水動力性能影響至關(guān)重要。為了在提高船舶能耗量利用率，減小CO2的排放，船舶耐波性研究成為了21世紀重要的內(nèi)容之一。到目前為止，船舶在波浪中的阻力性能研究成果已經(jīng)得到了廣泛的展開，如：試驗方法[1]、基于勢流理論[2]和黏性流理論[3]方法等。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，基于CFD方法建立的數(shù)值波浪水池不僅費用低廉而且易于實現(xiàn)。李宏偉[4]采用搖板式造波建立了二 維數(shù)值波浪水池，模擬了波浪的生成和傳播；封星[5]采用推板法成功建立了二維數(shù)值波浪水池；方昭昭[6]采用速度造波法建立數(shù)值波浪水池，模擬了頂浪航行船舶的水動力性能；查若思[7]采用Openform自主開發(fā)程序，計算了DTMB5512在波浪中的運動響應，得到了很好的計算結(jié)果。本文基于前人的基礎(chǔ)，以黏性流理論為計算，以FLUENT為基本平臺，并對其進行二次開發(fā)建立三維數(shù)值波浪水池。造波方法采用速度造波方法，消波方法采用人工粘性消波。計算了Wigley在波浪中的水動力性能，采用動網(wǎng)格技術(shù)計算了該船在波浪中的縱傾和升沉運動，并與試驗值[8]相比，得到了很好的計算結(jié)果。本文所使用的波浪阻力計算方法可以準確的預報Wigley的波浪增阻，為船舶在波浪中運動的研究提供了參考。

2 基本原理

2.1控制方程

利用GAMBIT軟件建立船體模型，建立長方體作為外流場流域，計算域尺度為5L×1.2L×1.3L。其中：計算域的入口距船首一倍船長；出口距船尾三倍船長；水深為一倍波長。網(wǎng)格劃分的好壞直接影響數(shù)值計算的結(jié)果，因此整個計算模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計算域進行劃分。在水面處網(wǎng)格進行細化，以捕捉自由液面；遠離船體部分適當加大網(wǎng)格尺寸，以減小網(wǎng)格數(shù)量；船體附近劃分邊界層網(wǎng)格，以處理船體附近的湍流流動。最后模型網(wǎng)格總數(shù)為564 562。

5.2 邊界條件設(shè)置

模型入口采用速度入口，并按照造波公式定義波浪垂向和橫向的速度，同時在入口處加上船速。出口處設(shè)置成壓力出口。船體側(cè)面設(shè)置成對稱邊界，以減小計算網(wǎng)格數(shù)量。船體表面、上下邊界和右邊界設(shè)置壁面邊界。

5.3 數(shù)值模擬與分析

本文利用CFD方法計算了Wigley船在波浪中的水動力性能，其中波浪參數(shù)工況如表2所示。造波區(qū)波面如圖1所示。從圖中可以看出造波區(qū)的波形穩(wěn)定，波浪規(guī)則，衰減較慢，因此該水流域適合波浪增阻的研究。

從圖中可以看出：短波長縱搖和升沉傳遞函數(shù)計算的結(jié)果較準確，隨著波長增加，縱搖和升沉傳遞函數(shù)與試驗值差距較大；波浪增阻在短波長計算結(jié)果誤差偏大，但是總體與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，可以代替試驗值進行波浪增阻的預報。圖5和圖6給出了速度為Fr=0.3、波長與船長之比為0.5和1的wigley船自由水平壓力云圖。從圖中可以看出水面的波浪穩(wěn)定，波面形狀良好。當波長增加時，船體附近的壓力增加，符合圖2的計算結(jié)果。

6 結(jié)論

本文基于CFD計算方法，采用速度造波方法建立了三維數(shù)值波浪水池，采用人工粘性的方法對數(shù)值波浪水池進行消波，消除了反射波對計算域的干擾。采用動網(wǎng)格技術(shù)計算了規(guī)則波中Wigley船在波浪中的波浪增阻。結(jié)果表明：縱搖升沉運動的傳遞函數(shù)和波浪增阻計算結(jié)果與試驗值結(jié)果吻合較好。說明了本文采用的CFD方法適合Wigley船的波浪增阻預報，對船舶的波浪增阻研究提供了參考。

參考文獻

[1] Ignazio Maria Viola， Joshua Enlander， Hamish Adamson.Trim effect on the

resistance of sailing planing hulls.Ocean Engineering，2014，88.

[2]魏錦芳，陳京普，周偉新.考慮短波增阻的船舶失速系數(shù)計算方法研究[J].

水動力學研究與進展，2013，28（2）.

[3] GUO Bing-jie， STEEN Sverre .evaluation of added resistance of KVLCC2 in

short waves.Journal of hydrodynamics，2011，23（6）.

[4]李宏偉.數(shù)值水池造波方法研究. 哈爾濱工程大學碩士論文.

[5]封星，吳宛青，楊建立，吳文鋒.基于兩種源造波的線性及非線性波數(shù)值研

究[J].大連海事大學學報，2012.36（3）.

[6]方昭昭.朱仁傳.繆國平.楊雄輝.基于數(shù)值波浪水池的波浪中船舶水動力

計算[J].水動力學研究與進展，2012，25（7）.

[7]葉海軒，沈志榮，萬德成.DTMB5512船波浪增阻及運動響應的數(shù)值模

擬計算[C]//第十七屆中國國際船艇及其技術(shù)設(shè)備展覽會暨高性能船學

術(shù)報告會，2012.4.

[8]J.M.J.JOURN?E. Experiments and calculations on 4 Wigley hull forms in head

waves[R]. Delft University of Technology， 1992.endprint