舭龙骨对船舶横摇阻尼影响的水动力分析

刘畅　林南盛　林慰

摘 要：本文采用粘性 CFD 方法，在 Fluent 商业软件平台上研究沿海航标工作船中部若干典型横剖面在设计状态下进行强迫横摇运动的水动力特性。通过获取强迫横摇运动下所受到的横摇力矩，由拟合方法求解出这些典型横剖面在安装或不安装舭龙骨情况下的横摇附加阻尼，进而评估加装舭龙骨装置以减少船舶横摇运动的效果。

关键词： CFD方法；舭龙骨；横摇附加阻尼

中图分类号：U664.7+1 文献标识码：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

广东沿海大型航标船主要用于起吊、维护保养广东省沿海航道的浮标航标，同时又可以兼顾运输浮标航标。由于沿海作业区海况复杂，为防止船舶在作业或运输过程中发生剧烈横摇运动，船型设计应尽量增大船舶横摇阻尼，有效降低船舶的横摇运动幅值。

舭龙骨（也称减摇龙骨）作为减少船舶摇摆的简便而有效的一种装置，几乎被所有海船所采用[1]。舭龙骨主要安装在船舶中部 1/4 ～ 3/4 船长范围内，其减摇作用的大小由舭龙骨的形状、安装位置、尺寸大小等决定。在舭龙骨安装过程中，为得到较大的横摇阻尼作用，在横剖面上舭龙骨安装的位置应在半宽线与基线的交点至船舶重心的连接线上，但不能超过船舶的半宽线与基线的范围。

本文在综合考虑船型设计和舭龙骨安装工艺的基础上，选取工作船中部 1/4 ～ 3/4 船长范围内数个典型横剖面，采用 CFD 方法在Fluent 商业软件平台上建立各个横剖面的水动力数值模拟计算模型；基于工作船设计状态下的吃水、给定重心高度和横摇周期，对其进行强迫横摇运动数值模拟，通过水动力分析拟合求解这些典型横剖面在安装或不安装舭龙骨情况下的横摇附加阻尼，分析加装舭龙骨装置降低船舶横摇运动的效果。

2 数值计算方法

2.1 控制方程

3 数值计算模型及参数设置

3.1 数值计算模型

3.1.1 船舶横剖面模型

舭龙骨主要设置在航标船中部的 1/4～3/4 船长范围，本文选取中部第5、10、12、13、14站五个典型横剖面，研究其在设计状态下安装或不安装舭龙骨的横摇运动特性。

3.1.2 舭龙骨模型及其参数

3.2 网格划分及 CFD 参数设置

在处理程序 ICEM 上完成计算区域的水动力网格剖分，计算流域取为160 m × 95 m，采用非结构化网格进行剖分，以便在变化曲度较大的舭龙骨附近生成质量较好的网格。计算区域的范围应尽量大以起到一定的消波作用，避免波遇到围避面后产生二次反射干扰。

对计算区域设置边界条件：底部为固壁边界；其它为对称边界。

流场计算中压力 - 速度采用SIMPLE 方法进行迭代求解，动量方程中的瞬态项采用一阶隐式差分格式，对流项和扩散项的离散都采用二阶迎风差分算法。计算中采用VOF方法追踪自由液面的波动。经过反复试验，时间步取周期的 1 / 400 ～ 1 / 200 有较好的计算速度和收敛性。在Fluent模拟过程中需采用动网格技术进行剖面运动时的网格重划。

4 数值计算结果及分析

基于上述模型和参数设置，船舶横剖面以5.732s为周期、0.1rad为幅值、3.486 m 为重心高度，在设计吃水状态下以的运动规律进行强迫横摇运动。

以第 10 站横剖面为例，强迫横摇运动模型如图2所示。通过UDF获取各个横剖面模型在强迫横摇运动下所受横摇力矩的时间历程，根据公式 （6） 求取其拟合函数，如图3所示。进而可根据拟合函数的力矩幅值和公式 （7） 求取其响应的横摇附加阻尼。如图3所示力矩幅值为23.437 kN·m，附加阻尼为213.813 kN·s。

通过模拟计算，获取其它各个横剖面在设计状态下安装或不安装型舭龙骨的横摇力矩，并取其平稳时间历程进行比较，其具体结果如图4及表2所示。

从表2及图4可看出：

1）各横剖面不安装舭龙骨时其横摇力矩曲线相对不稳定，而安装舭龙骨后的横摇力矩曲线更加稳定；

2） 加装舭龙骨可以大幅提高船舶的横摇力矩，从而大幅增强其横摇附加阻尼，各横剖面增加效果可达 50% ～ 100%。

第 10 站计算横剖面的流场图如图5所示。由图5可看出，本文方法可以细致地捕捉到舭部和舭龙骨周围产生的涡。由于船舶主要做小角度横摇运动，其在自由液面的兴波比较小，其涡的扩散比较明显，而在舭龙骨附近，涡更加集中。

5 结论

本文通过数值模拟研究广东沿海大型航标船中部数个典型横剖面安装或不安装舭龙骨在强迫横摇运动下的水动力特性。通过获取各个横剖面在强迫横摇运动下所受的横摇力矩，拟合求解出横剖面在安装或不安装舭龙骨情况下的横摇附加阻尼和无因次化阻尼。经比较可知，安装舭龙骨可显著增加船舶横摇谐摇的附加阻尼系数，有效降低横摇幅值。

参考文献

[1] 林绍昌，符传发. 船舶舭龙骨的设计与制造探讨[J]. 广东造船，2013 ，

（128）.

[2] 罗敏莉，毛筱菲，王晓侠. 强迫运动柱体附加质量与阻尼系数的CFD

计算[J]. 水动力学研究与进展（A集），2011，26（4）.

[3] 韩翔希，赵成璧，唐友宏，范少涛，林慰，陈晓明. 强迫摇荡运动三

维球体的水动力系数的CFD计算[J]. 海洋工程，2014-5：32（3）.

[4] 郑崇伟，林刚，孙岩，杨松. 近22年南海波浪能资源模拟研究[J]. 热

带海洋学报，2012，（06）.endprint