強(qiáng)迫搖蕩運(yùn)動(dòng)二維矩形月池水動(dòng)力系數(shù)的CFD計(jì)算

楊柳++陳方磊

摘 要：基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論，并考慮了自由表面的影響（采用VOF方法捕捉自由表面），來(lái)模擬二維矩形月池單自由度強(qiáng)迫搖蕩運(yùn)動(dòng)，得到縱蕩、垂蕩及縱搖的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，并與線性勢(shì)流理論結(jié)果進(jìn)行比較，趨勢(shì)基本一致。本文所采用的方法能合理地給出矩形月池結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力系數(shù)，更方便地描述月池內(nèi)部流體的活塞和晃蕩運(yùn)動(dòng)，可應(yīng)用于船舶與海洋工程浮式結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力性能研究。

關(guān)鍵詞：水動(dòng)力系數(shù)；月池；強(qiáng)迫搖蕩運(yùn)動(dòng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.222

0 引言

鉆井船、FPSO及Spar平臺(tái)等海洋結(jié)構(gòu)常根據(jù)實(shí)際需要布置垂直方向貫穿結(jié)構(gòu)主體的月池結(jié)構(gòu)。由于底部開口，月池內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)存在兩類固有振蕩形式，即“活塞”運(yùn)動(dòng)與“晃蕩”運(yùn)動(dòng)[1-3]。對(duì)于波浪與月池結(jié)構(gòu)的相互作用的研究而言，輻射問題的研究具有重大的意義。將輻射波載荷與對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)加速度和速度分離，進(jìn)而得到與加速度、速度有關(guān)的輻射載荷作用系數(shù)，分別稱為結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)。月池結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力系數(shù)如附加質(zhì)量與阻尼系數(shù)是研究月池內(nèi)流體水動(dòng)力特性以及活塞和晃蕩現(xiàn)象發(fā)生的基礎(chǔ)。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。基于CFD理論的海洋浮式結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力學(xué)方面的數(shù)值模擬，因?yàn)榫哂匈M(fèi)用低、無(wú)觸點(diǎn)流場(chǎng)測(cè)量、無(wú)尺度效應(yīng)、能消除物體模型中由傳感器尺寸及模型變形等因素對(duì)流場(chǎng)的影響、可獲得較為詳細(xì)的流場(chǎng)信息等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，切應(yīng)用范圍越來(lái)越廣[4-5]。

1 計(jì)算模型及結(jié)果

本文所采用的計(jì)算域、計(jì)算模型尺寸如圖1所示。由于月池微幅振動(dòng)產(chǎn)生的波動(dòng)會(huì)在模型兩側(cè)反射回來(lái)，因此在水槽兩側(cè)設(shè)置消波區(qū)。水槽長(zhǎng)度20m，高度6m，消波去寬度2m，月池寬度1m，高度1.5m，吃水1m。

為了驗(yàn)證本文方法的有效性和準(zhǔn)確性，就底部開口為0.25m的月池剖面所作的單一縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。當(dāng)月池以固定的頻率和幅值作單一模態(tài)的振蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)流場(chǎng)的計(jì)算可以獲得對(duì)應(yīng)模態(tài)下的力和力矩。當(dāng)月池以周期為2s，位移幅值為0.01m作純垂蕩運(yùn)動(dòng)，即以為位移規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用最小二乘法進(jìn)行.到，則。再進(jìn)行相位分解和無(wú)量綱化可以得到附加質(zhì)量，阻尼系數(shù)。同理可以得到縱蕩和縱搖的水動(dòng)力系數(shù)。本文所采用數(shù)值模擬方法可以準(zhǔn)確得到三種模態(tài)水動(dòng)力系數(shù)曲線峰值處的頻率，但是數(shù)值計(jì)算所得到的峰值處的結(jié)果比理論結(jié)果略小，這是由于在數(shù)值計(jì)算時(shí)使用Fluent軟件時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，所以峰值處的水動(dòng)力系數(shù)數(shù)值還需要通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2 結(jié)語(yǔ)

以CFD理論為基礎(chǔ)，以連續(xù)性方程和方程為控制方程，對(duì)二維矩形月池強(qiáng)迫搖蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬獲得各模態(tài)下的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，并與線性勢(shì)流理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合良好。研究表明，文中所提出的獲得水動(dòng)力系數(shù)的方法與傳統(tǒng)的線性勢(shì)流理論計(jì)算方法相比，計(jì)入非線性等的影響；與物理模型試驗(yàn)相比，具有更加快捷高效、無(wú)尺度效應(yīng)、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Faltinsen O M，Timokha A.Sloshing[M].London：Cambridge University Press，2009.

[2]Miles J W.On the eigenvalue problem for fluid sloshing in a half-space[J].Journal of Applied Mathematics and Physics，1972，23（06）：861-869.

[3]Gupta H，Blevins R，Banon H.Effect of moonpool hydrodynamics on spar heave[C].ASME，2008.

[4]Korpus R A，F(xiàn)alsarano J M.Prediction of viscous ship roll damping by unsteady navier-stokes techniques [J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，1997，119：108-113.

[5]Chang H X，Miao G P，Liu Y Z.Numerical simulation of viscous flow around a rolling cylinder with ship-like section[J].China Ocean Engineering，1995，9（01）：9-18.

作者簡(jiǎn)介：楊柳（1993-），男，碩士，研究方向：港口海岸及水動(dòng)力學(xué)。