迎浪航行下高速雙體船耐波性能研究

孫海濱 石修偉 冷江南 謝方偉 謝 飛 田祖織

（1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇四研究所，上海 200031；2.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116；3.泰州市金海運(yùn)船用設(shè)備有限責(zé)任公司，泰州 225300）

船舶耐波性指的是在海浪狀態(tài)下船舶的航行性能[1-4]。海浪對船舶行駛會造成影響，在波浪較大的工況下會對船舶安全行駛產(chǎn)生不利影響。為保證船舶的安全性和舒適性，對船舶耐波性進(jìn)行研究十分有意義[5-8]。

賀妍針對穿浪雙體船開展耐波性實(shí)驗(yàn)，測量分析船舶的縱傾和升沉，獲得了穿浪雙體船耐波性能數(shù)據(jù)[9]。焦甲龍針對穿浪雙體船開展耐波性實(shí)驗(yàn)，通過水池模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了不同船型的耐波性能[10]。高天敏針對雙體風(fēng)電運(yùn)維船開展耐波性實(shí)驗(yàn)，結(jié)合潮間帶風(fēng)波浪，獲得了雙體風(fēng)電運(yùn)維船耐波性能數(shù)據(jù)[11]。牛杰針對小水線面雙體船開展縱向運(yùn)動(dòng)數(shù)值計(jì)算，獲得了不同海況下模型船的縱搖、垂蕩數(shù)據(jù)[12]。張牧等針對豪華郵輪開展了多工況耐波性數(shù)值分析，對郵輪進(jìn)行耐波性能分析，獲得了不同波高、航速下的耐波性能數(shù)據(jù)[13]。雷震針對大型郵輪的安全性與舒適性開展了耐波性能分析，基于水面自航模型，評估了郵輪在不同工況下的安全性與舒適性[14]。李興宇等針對破冰船開展耐波性能衡準(zhǔn)分析，對船舶在不同海況下的自由橫搖進(jìn)行了耐波性分析[15]。

目前，在對船舶耐波性的研究中缺少針對高速雙體船在復(fù)雜海況條件下耐波性能的分析。本文將以高速雙體船為切入點(diǎn)，綜合研究其在復(fù)雜海況中的耐波性能，以期為其設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 雙體船仿真

1.1 模型建立

如圖1和表1所示，根據(jù)雙體船實(shí)際參數(shù)，使用SolidWorks軟件對雙體船進(jìn)行等比例建模。在流場仿真計(jì)算中，船體網(wǎng)格質(zhì)量會影響結(jié)果精度。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，設(shè)計(jì)方案網(wǎng)格尺寸數(shù)量為579萬，邊界層層數(shù)為5層，邊界層網(wǎng)格厚度增長率為1.2。

表1 8 m雙體船參數(shù)

圖1 雙體船三維模型

1.2 邊界條件設(shè)置

自由液面主要包括空氣和水兩種流體。目前，對自由液面的捕捉技術(shù)主要有MAC、流體體積（Volume of Fluid，VoF）等。本文基于Fluent軟件，采用VoF明渠流動(dòng)模型，選擇湍流模型為k-omega模型，邊界條件設(shè)置如圖2所示。在船舶阻力仿真計(jì)算過程中，采用全船進(jìn)行模擬。

圖2 Fluent邊界條件設(shè)置

1.3 規(guī)則波參數(shù)設(shè)置

規(guī)則波波高通常為1/40L～1/60L，L為船體長度。本次仿真過程中，計(jì)算波高為0.13 m，計(jì)算域水深約8 m，計(jì)算公式為

仿真波高為0.13 m，波陡滿足H/λ≤0.033，屬于波斗較小的波浪，故采用線性波理論進(jìn)行計(jì)算。本次選擇實(shí)船航速為20節(jié)的工況，通過仿真試驗(yàn)得到縱搖響應(yīng)曲線和垂蕩響應(yīng)曲線。

2 規(guī)則波耐波性能研究

2.1 縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線

通過縱搖幅值算子研究縱搖運(yùn)動(dòng)，計(jì)算公式為

式中：Yφ為平均縱搖幅值算子；φ為平均縱搖幅值；ζA為波幅。

研究恒定航速下波長對雙體船縱搖運(yùn)動(dòng)的影響。研究恒定航速下波長對雙體船縱搖運(yùn)動(dòng)的影響。圖3為不同波長下縱搖運(yùn)動(dòng)歷時(shí)曲線。可見：雙體船縱搖運(yùn)動(dòng)在3.5 s后逐漸趨于穩(wěn)定；不同波長條件下，縱搖幅值呈現(xiàn)周期性變化，變化范圍為1.5°～3.0°，此時(shí)出現(xiàn)艏傾現(xiàn)象，艏傾范圍為0.105～0.210 m。當(dāng)波長在8～20 m時(shí)，縱搖幅值變化幅度較小，周期性更明顯，周期更短；當(dāng)波長大于20 m時(shí)，縱搖幅值變化幅度較大，周期變長。圖4為不同波長下平均縱搖幅值算子響應(yīng)曲線?？梢姡寒?dāng)λ/L≤5.0和λ/L≥10.0時(shí)，平均升沉響應(yīng)數(shù)值較??；當(dāng)λ/L=7.5時(shí)，對應(yīng)周期為6.2 s，即波浪頻率為1.013 rad·s-1，船舶的平均縱搖響應(yīng)數(shù)值達(dá)到最大值。船舶的固有頻率和遭遇頻率相似，垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大。

圖3 不同波長下縱搖運(yùn)動(dòng)歷時(shí)曲線

圖4 不同波長下平均縱搖幅值算子響應(yīng)曲線

2.2 升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線

通過升沉幅值算子研究升沉運(yùn)動(dòng)，計(jì)算方法為

式中：Yz為平均升沉幅值算子；z為平均升沉幅值；ζA為波幅。

研究恒定航速下波長對雙體船升沉運(yùn)動(dòng)的影響。圖5為不同波長下平均升沉幅值算子響應(yīng)曲線?？梢姡寒?dāng)λ/L≤3.0時(shí)，平均升沉響應(yīng)數(shù)值先增大后減??；當(dāng)λ/L=1.0時(shí)，平均升沉響應(yīng)數(shù)值為局部最大值；當(dāng)λ/L=7.5時(shí)，對應(yīng)周期為6.2 s，即波浪頻率為1.013 rad·s-1，船舶的平均升沉響應(yīng)數(shù)值達(dá)到最大值，船舶的固有頻率和遭遇頻率相似，升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大；當(dāng)λ/L≥7.5時(shí)，平均升沉響應(yīng)數(shù)值逐漸減小。

圖5 不同波長下平均升沉幅值算子響應(yīng)曲線

3 結(jié)語

通過對雙體船縱搖運(yùn)動(dòng)、升沉運(yùn)動(dòng)的分析，可以得出：在規(guī)則波下，不同波長雙體船縱搖何升沉相對變化均較小，說明該船體結(jié)構(gòu)在三級海況以下的耐波性較好；波長為60 m時(shí)，縱搖及升沉運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)峰值，導(dǎo)致船體耐波性較低。