基于CFD的船舶頂浪遭遇畸形波數(shù)值模擬

石博文， 劉正江， 張本輝

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院， 遼寧 大連 116026; 2.海軍大連艦艇學(xué)院 航海系， 遼寧 大連 116018)

基于CFD的船舶頂浪遭遇畸形波數(shù)值模擬

石博文1， 劉正江1， 張本輝2

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院， 遼寧 大連 116026; 2.海軍大連艦艇學(xué)院 航海系， 遼寧 大連 116018)

針對(duì)畸形波對(duì)船舶航行極具威脅，已引發(fā)多起海上事故的情況，對(duì)艦船遭遇畸形波進(jìn)行數(shù)值模擬研究。采用考慮航速改進(jìn)的相位調(diào)制方法，以DTMB5512船模為目標(biāo)船，在頂浪航行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)艦船定時(shí)、定點(diǎn)遭遇畸形波的數(shù)值模擬。研究證實(shí)畸形波對(duì)艦船的不利影響明顯大于一般大風(fēng)浪航行，在畸形波情況下獲取的非線性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(包括縱搖、垂蕩、垂蕩加速度、壓強(qiáng)和瞬時(shí)增阻)最大值是一般大風(fēng)浪情況下的1.5倍以上。

船舶;計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD);畸形波;頂浪;數(shù)值模擬

Abstract: The freak wave is a menace to navigation, and has caused quite a few accidents. The numerical simulation of ship encountering with freak waves by means of CFD is of practical value. The phase modulation with navigation speed is proposed to improve conventional simulation method. The DTMB5512 ship model is chosen as the object of the numerical simulation. The simulation result indicates that the negative effects produced by freak waves are rather significant. The maximum value of nonlinear sea-keeping responses (including pitch, heave, acceleration of heave, pressure and instantaneous added resistance) are 1.5 times severer than those in normal rough sea environment.

Keywords: ship; CFD; freak wave; head sea; numerical simulation

畸形波是海洋中高且陡的大波，持續(xù)時(shí)間很短,但出現(xiàn)的偶然性和巨大的破壞性對(duì)船舶航行和海洋工程結(jié)構(gòu)物等極具威脅，已引發(fā)多起海上事故。[1]因此,畸形波越來(lái)越受到人們的關(guān)注，其發(fā)生機(jī)理及工程應(yīng)用問(wèn)題已成為當(dāng)前物理海洋學(xué)界、船舶水動(dòng)力學(xué)界和航海界的研究熱點(diǎn)[2-4]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)畸形波的數(shù)值模擬、演化規(guī)律及其對(duì)近岸結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)進(jìn)行大量研究，但對(duì)艦船遭遇畸形波的搖蕩運(yùn)動(dòng)及其動(dòng)力響應(yīng)的研究還相對(duì)較少。CLAUSS等[5]和BENNETT等[6]對(duì)艦船遭遇畸形波進(jìn)行研究；張本輝[7]采用考慮航速、航向的改進(jìn)的相位調(diào)制方法對(duì)艦船遭遇畸形波的海浪環(huán)境進(jìn)行數(shù)值建模，實(shí)現(xiàn)船模頂浪態(tài)勢(shì)下定時(shí)、定點(diǎn)遭遇畸形波的數(shù)值模擬，與水池試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了所建模型的有效性。

這里以DTMB5512船模為研究對(duì)象，在頂浪條件下對(duì)船舶遭遇畸形波及在惡劣海況下遭遇一般大風(fēng)浪時(shí)的搖蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析遭遇畸形波時(shí)的非線性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(包括縱搖、垂蕩、垂蕩加速度、砰擊和瞬時(shí)增阻)與遭遇一般大風(fēng)浪時(shí)的不同。

1 畸形波海浪環(huán)境的生成

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法模擬艦船在波浪中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，假設(shè)在固定坐標(biāo)系中航速為U0，則長(zhǎng)峰不規(guī)則波的波高方程為

(1)

設(shè)在位置x=xc,時(shí)刻t=tc時(shí)生成畸形波，調(diào)制初相θi,使部分(或全部)組成波在x=xc,t=tc時(shí)ηi(xc,tc)為正，則在此疊加的波高會(huì)增大。令組成波數(shù)M=M1+M2，則式(1)可表示為

(2)

令

(3)

(4)

令后M2個(gè)組成波的合成波波面η2(x,y,t)在預(yù)定位置處聚焦,出現(xiàn)大波，需調(diào)制后M2個(gè)組成波的初相位θi，使ηi(xc,yc,t)>0。具體調(diào)制方法見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

2 DTMB5512船模頂浪遭遇畸形波的數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模擬方案

選擇DTMB5512船模作為研究對(duì)象，該船數(shù)據(jù)翔實(shí)，是國(guó)際船模試驗(yàn)水池會(huì)議(International Towing Tank Conference,ITTC)推薦的用于CFD計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)船模，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 DTMB5512模型主要參數(shù)

在數(shù)值水池參數(shù)相同的情況下，設(shè)計(jì)以下2種工況的試驗(yàn)。

1) 工況1:采用完全隨機(jī)的方法，進(jìn)行不斷嘗試，使艦船在有限的時(shí)間尺度范圍內(nèi)遭遇的隨機(jī)波浪的最大波高(采用下跨零點(diǎn)法統(tǒng)計(jì)得到)接近H1/10，而不是文獻(xiàn)[6]中根據(jù)瑞利分布公式獲取的最大期望波高，前者更加符合海上的實(shí)際情況。

2) 工況2:采用相位調(diào)制方法，使艦船定時(shí)定點(diǎn)遭遇畸形波。

數(shù)值水池試驗(yàn)的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值水池試驗(yàn)的主要參數(shù)

在艏甲板和艏舷側(cè)不同部位處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1，其中:P1,P2和P3點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)砰擊壓強(qiáng);P4點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)上浪壓強(qiáng))，以比較2種工況下艏部不同部位處沖擊載荷強(qiáng)度和上浪的差異。

圖1 上浪、砰擊壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

2.2計(jì)算域、網(wǎng)格劃分及邊界條件

計(jì)算域設(shè)置為長(zhǎng)方體，尺寸為：入口距艏部1L，出口距艉部2L，頂部邊界距水線0.5L，底部邊界距水線1.5L，左、右邊界距舯縱剖面1L。計(jì)算域中各邊界條件名稱見(jiàn)圖2，具體設(shè)置如下。

圖2 計(jì)算域中各邊界名稱

1) 入口邊界(in)：速度入口條件，設(shè)置入口處流體的速度、水的體積分?jǐn)?shù)、湍動(dòng)能k和耗散率ε。

2) 出口邊界(out)：壓力出口條件，設(shè)定靜壓力、底面位置和自由面高度，回流的湍動(dòng)能k及耗散率ε則采用Fluent的推薦值。

3) 上下邊界(top,bot)：速度入口，給定3個(gè)方向流速(u=U0,v=w=0)及水的體積分?jǐn)?shù)。

4) 左右邊界(port,stab)：滑移的壁面。

5) 船體(ship)：無(wú)滑移的壁面。

采用結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格劃分計(jì)算域，網(wǎng)格共有1 911 157個(gè)。采用網(wǎng)格整體移動(dòng)方法與滑移網(wǎng)格方法相結(jié)合的動(dòng)網(wǎng)格方案，對(duì)船舶兩自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。該方法的思路為：根據(jù)船體所受的力和力矩計(jì)算出船體的線速度及角速度，使計(jì)算域內(nèi)所有網(wǎng)格隨船體一起做垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)，這樣可保持計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變，有效避免數(shù)值計(jì)算中因網(wǎng)格質(zhì)量下降而導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散。

2.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.3.1數(shù)值波浪環(huán)境的模擬結(jié)果

在數(shù)值水池工作區(qū)中橫向距離船模中心y=2.5 m處設(shè)置浪高儀，進(jìn)行波浪時(shí)歷監(jiān)測(cè)，2種工況下采集到的波浪時(shí)歷見(jiàn)圖3。工況1的波浪時(shí)歷為一般的隨機(jī)海浪，利用下跨零點(diǎn)法求得其最大波高為0.126 3;在隨機(jī)海浪情況下，由非規(guī)則波的統(tǒng)計(jì)特性可知，H1/10=1.275Hs=0.127 5,兩者的相對(duì)誤差為0.92%，工況1中采集的波浪時(shí)歷可滿足試驗(yàn)需求。

圖3 2種工況下采集的波浪時(shí)歷

利用下跨零點(diǎn)法對(duì)工況2獲取的時(shí)歷所包含的極值大波進(jìn)行波高特征統(tǒng)計(jì)，其畸形波參數(shù)見(jiàn)表3。由KLINTING等[8]對(duì)畸形波的定義可知，工況2采集的波浪時(shí)歷滿足試驗(yàn)需求。

表3 工況2波浪時(shí)歷的特征統(tǒng)計(jì)

2.3.2船模搖蕩運(yùn)動(dòng)的模擬結(jié)果

圖4為DTMB5512船模遭遇畸形波時(shí)的瞬時(shí)波面圖(t=9.0～11.0 s，每隔0.5 s取一幅圖片，畸形波出現(xiàn)時(shí)刻為10.0 s)。

從圖4中可看出:船舶在包含畸形波的非規(guī)則波浪中頂浪航行時(shí)，出現(xiàn)明顯的砰擊、上浪、淹埋和球鼻艏出水等強(qiáng)非線性現(xiàn)象;而在遭遇大風(fēng)浪時(shí)，船舶的搖蕩起伏加劇，并沒(méi)有如此明顯的動(dòng)力響應(yīng)。

a) t=9.0 s

b) t=9.5 s

c) t=10.0 s

d) t=10.5 s

在2種工況下測(cè)得的DTMB5512船模縱搖、垂蕩及垂蕩加速度(與重力加速度g相除進(jìn)行歸一化)時(shí)歷見(jiàn)圖5。利用下跨零點(diǎn)法對(duì)2種工況下的縱搖θ、垂蕩ξ和垂蕩加速度a時(shí)歷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求取其谷-峰最大值，結(jié)果見(jiàn)表4。

a) 縱搖時(shí)歷

b) 垂蕩時(shí)歷

c) 垂蕩加速度時(shí)歷

表4 2種工況下的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析

由圖5和表4可知，DTMB5512船模遭遇畸形波時(shí)的最大縱搖、垂蕩和垂蕩加速度都明顯大于遭遇一般隨機(jī)海浪情況下的值。船模遭遇畸形波情況下的縱搖和垂蕩分別是遭遇隨機(jī)海浪情況下的1.576 6倍和1.673 1倍；而垂蕩加速度的比值為3.045 6。2種工況下的垂蕩加速度都小于英國(guó)勞氏船級(jí)社(Lloyd’s Register of Shipping,LR)的規(guī)范值0.39，這是在航速相對(duì)較低情況下的結(jié)果；若艦船以較高的航速頂浪遭遇畸形波，則垂蕩加速度可能超越船級(jí)社的規(guī)范值。

2.3.3船體砰擊的模擬結(jié)果

DTMB5512船模在遭遇隨機(jī)海浪和畸形波2種工況下，壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1,P2和P3處壓強(qiáng)值變化對(duì)比見(jiàn)圖6。

a) P1點(diǎn)

b) P2點(diǎn)

c) P3點(diǎn)

分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓強(qiáng)值隨縱向運(yùn)動(dòng)值的變化趨勢(shì)可知:各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)先后入水，壓強(qiáng)隨之迅速增大;達(dá)到峰值后，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)入水深度增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)緩慢下降;當(dāng)艏部由下沉轉(zhuǎn)為上浮時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)迅速降低;當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)出水后，只有空氣的作用，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)降低到最低。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1(即艏部底端)處的沖擊壓強(qiáng)最大，其他部位的沖擊壓強(qiáng)從下到上、從前到后逐漸減小。在進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到不同部位可能遭受的砰擊載荷。遭遇畸形波時(shí)的壓強(qiáng)值大于隨機(jī)海浪情況，一般前者P1，P2和P3的最大值比后者的最大值大700 Pa左右。

一般認(rèn)為艏部出水回落時(shí)，其底部與水波的相對(duì)速度達(dá)到一定值時(shí)的速度為臨界速度。臨界速度隨船型和船長(zhǎng)的不同而不同，奧奇提出砰擊的臨界速度[9]近似取為

(5)

艏部拍擊水面時(shí)的相對(duì)速度可由船舶本身的垂向速度和水波垂向的分量2部分組成。在2種工況下，DTMB5512艏部的相對(duì)速度vR時(shí)歷見(jiàn)圖7。

圖7 DTMB5512艏部的相對(duì)速度時(shí)歷

由砰擊的定義可知，船舶在設(shè)定的大風(fēng)浪海況下頂浪航行時(shí)，由于球鼻艏處入水較深，未發(fā)現(xiàn)明顯的砰擊，僅出現(xiàn)4次vR較大的情況；而遭遇畸形波時(shí)，則出現(xiàn)2次明顯的砰擊。由圖6可知，艦船遭遇畸形波時(shí)砰擊達(dá)3 800 Pa左右，相當(dāng)于實(shí)船底部瞬時(shí)壓強(qiáng)超過(guò)了17.67 t/m2，是比較嚴(yán)重的，應(yīng)充分計(jì)入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，并考慮應(yīng)對(duì)舉措。

2.3.4船體上浪的模擬結(jié)果

DTMB5512船模在遭遇隨機(jī)海浪和畸形波2種工況下，上浪壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4處壓強(qiáng)值變化對(duì)比見(jiàn)圖8。通過(guò)分析P4處的壓強(qiáng)值隨縱向運(yùn)動(dòng)值的變化趨勢(shì)可知：在隨機(jī)海浪情況下沒(méi)有上浪產(chǎn)生，因此P4值接近于0；而在艦船遭遇畸形波時(shí)則產(chǎn)生明顯的上浪，且壓強(qiáng)值相對(duì)較大，差異比較明顯，差值接近于2 000 Pa；同時(shí)，出現(xiàn)了2個(gè)峰值，說(shuō)明出現(xiàn)2次明顯的上浪。

圖8 2種工況下P4監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓強(qiáng)值變化對(duì)比

2.3.5增阻的模擬結(jié)果

在頂浪態(tài)勢(shì)下，艦船在2種工況下的阻力變化曲線見(jiàn)圖9。在2種工況下最大瞬時(shí)阻力和最大瞬時(shí)增阻對(duì)比見(jiàn)表5。

圖9 船模在2種工況下的阻力變化曲線

表5 在2種工況下最大瞬時(shí)阻力和最大瞬時(shí)增阻對(duì)比

由表5可知，畸形波海況下增阻歸一化之后的值約為遭遇一般大風(fēng)浪情況下歸一化值的2倍。艦船在惡劣海況下的瞬時(shí)阻力有可能使螺旋槳突然超負(fù)荷工作，將會(huì)對(duì)艦船的動(dòng)力產(chǎn)生巨大的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

以DTMB5512船模為目標(biāo)船，對(duì)現(xiàn)代中型艦船頂浪、遭遇畸形波的非線性搖蕩運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論：

1) 在頂浪情況下對(duì)艦船在同一海況下遭遇大浪和畸形波進(jìn)行數(shù)值模擬的比較研究，包括縱搖、垂蕩、垂蕩加速度、砰擊、上浪和瞬時(shí)增阻等諸多方面，給出比較精確的量化結(jié)果。

2) 就艦船在同一海況下以常速(12 kn)頂浪航行而言，遭遇一般大風(fēng)浪和遭遇畸形波，其航行風(fēng)險(xiǎn)有很大差異。在遭遇畸形波的情況下，即使是8 000噸級(jí)以上的現(xiàn)代化艦船，也需考慮減速、調(diào)整航向(甚至是規(guī)避)等舉措，以減少損失。

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CFDNumericalSimulationofShipEncounteringFreakWavesinHeadSea

SHIBowen1,LIUZhengjiang1,ZHANGBenhui2

(1. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

U661.3

A

2016-05-31

總裝預(yù)研基金(51314030101)

石博文(1985—),男,吉林長(zhǎng)春人,博士生，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸安全保障與防護(hù)技術(shù)。E-mail:agshi56@sina.com

1000-4653(2016)03-0059-04