Wigley船波浪增阻研究

牟晟伯

摘 要：以黏性理论为基础，基于N- S方程和标准k-ε湍流模型， 采用VOF方法追踪自由面， 利用CFD方法建立了具有造波和消波功能的数值波浪水池，模拟了波浪的生成与传播。同时，计算了Wigley在规则波浪中的水动力性能。计算结果表明，本文的三维数值波浪水池性能良好，使用的方法可以准确地模拟波浪的运动，计算的波浪增阻为船舶波浪阻力的预报提供了有益的参考。

关键词：CFD；数值波浪水池；波浪增阻

中图分类号：U661.31+1 文献标识码：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

当海水受海风的作用和气压变化等影响会形成海上波浪，波浪是一种周期性的起伏运动。船舶在波浪中的水动力性能直接影响其能耗的利用，可见波浪对船舶的水动力性能影响至关重要。为了在提高船舶能耗量利用率，减小CO2的排放，船舶耐波性研究成为了21世纪重要的内容之一。到目前为止，船舶在波浪中的阻力性能研究成果已经得到了广泛的展开，如：试验方法[1]、基于势流理论[2]和黏性流理论[3]方法等。随着计算机技术的飞速发展，基于CFD方法建立的数值波浪水池不仅费用低廉而且易于实现。李宏伟[4]采用摇板式造波建立了二 维数值波浪水池，模拟了波浪的生成和传播；封星[5]采用推板法成功建立了二维数值波浪水池；方昭昭[6]采用速度造波法建立数值波浪水池，模拟了顶浪航行船舶的水动力性能；查若思[7]采用Openform自主开发程序，计算了DTMB5512在波浪中的运动响应，得到了很好的计算结果。本文基于前人的基础，以黏性流理论为计算，以FLUENT为基本平台，并对其进行二次开发建立三维数值波浪水池。造波方法采用速度造波方法，消波方法采用人工粘性消波。计算了Wigley在波浪中的水动力性能，采用动网格技术计算了该船在波浪中的纵倾和升沉运动，并与试验值[8]相比，得到了很好的计算结果。本文所使用的波浪阻力计算方法可以准确的预报Wigley的波浪增阻，为船舶在波浪中运动的研究提供了参考。

2 基本原理

2.1控制方程

利用GAMBIT软件建立船体模型，建立长方体作为外流场流域，计算域尺度为5L×1.2L×1.3L。其中：计算域的入口距船首一倍船长；出口距船尾三倍船长；水深为一倍波长。网格划分的好坏直接影响数值计算的结果，因此整个计算模型采用结构网格对计算域进行划分。在水面处网格进行细化，以捕捉自由液面；远离船体部分适当加大网格尺寸，以减小网格数量；船体附近划分边界层网格，以处理船体附近的湍流流动。最后模型网格总数为564 562。

5.2 边界条件设置

模型入口采用速度入口，并按照造波公式定义波浪垂向和横向的速度，同时在入口处加上船速。出口处设置成压力出口。船体侧面设置成对称边界，以减小计算网格数量。船体表面、上下边界和右边界设置壁面边界。

5.3 数值模拟与分析

本文利用CFD方法计算了Wigley船在波浪中的水动力性能，其中波浪参数工况如表2所示。造波区波面如图1所示。从图中可以看出造波区的波形稳定，波浪规则，衰减较慢，因此该水流域适合波浪增阻的研究。

从图中可以看出：短波长纵摇和升沉传递函数计算的结果较准确，随着波长增加，纵摇和升沉传递函数与试验值差距较大；波浪增阻在短波长计算结果误差偏大，但是总体与实验数据吻合较好，可以代替试验值进行波浪增阻的预报。图5和图6给出了速度为Fr=0.3、波长与船长之比为0.5和1的wigley船自由水平压力云图。从图中可以看出水面的波浪稳定，波面形状良好。当波长增加时，船体附近的压力增加，符合图2的计算结果。

6 结论

本文基于CFD计算方法，采用速度造波方法建立了三维数值波浪水池，采用人工粘性的方法对数值波浪水池进行消波，消除了反射波对计算域的干扰。采用动网格技术计算了规则波中Wigley船在波浪中的波浪增阻。结果表明：纵摇升沉运动的传递函数和波浪增阻计算结果与试验值结果吻合较好。说明了本文采用的CFD方法适合Wigley船的波浪增阻预报，对船舶的波浪增阻研究提供了参考。

参考文献

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

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

[2]魏锦芳，陈京普，周伟新.考虑短波增阻的船舶失速系数计算方法研究[J].

水动力学研究与进展，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]李宏伟.数值水池造波方法研究. 哈尔滨工程大学硕士论文.

[5]封星，吴宛青，杨建立，吴文锋.基于两种源造波的线性及非线性波数值研

究[J].大连海事大学学报，2012.36（3）.

[6]方昭昭.朱仁传.缪国平.杨雄辉.基于数值波浪水池的波浪中船舶水动力

计算[J].水动力学研究与进展，2012，25（7）.

[7]叶海轩，沈志荣，万德成.DTMB5512船波浪增阻及运动响应的数值模

拟计算[C]//第十七届中国国际船艇及其技术设备展览会暨高性能船学

术报告会，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