排水量型船舶在波浪中阻力和运动数值模拟

王炳亮

(广船国际技术中心)

0 概述

在预估船舶水动力性能时，一般是在静水中模拟计算的，但是船舶航行在海中实际是在波浪中航行的，所以预估船舶在波浪中的水动力性能是很有必要的。本文针对静水、规则波顶浪、规则波45°顶浪和不规则波顶浪4 种工况，计算分析船舶在波浪中航行的水动力性能。

1 主要参数

船型主要参数如下：

总长：183.20m

型宽：32.00m

设计吃水：11.00m

排水量：abt.47700.0t

航速：14.5kn

图1 船体几何模型

2 计算模型

使用商业软件STARCCM+ 模拟计算，采用VOF 多项流模型模拟自由液面，选取K-Epsilon 湍流模型。计算波浪时，波浪处网格需要特别加密，Z 向网格尺寸应在H/40 到H/20 之间，X、Y 向网格尺寸最好在Z 向网格的32 倍以内，在计算规则波45°顶浪时需要采用全船模型计算模拟，所以网格量很大，本文中半船网格约为2000 万，全船网格约为4000 万。(注：H 为有义波高。)

3 计算域

计算域设置如下，速度入口距艉垂线2.5 倍船长，压力出口距艉垂线2 倍船长，底面距基线2 倍船长，顶面距基线1 倍船长，侧面距中剖面1 倍船长。

图2 计算域

4 计算工况

船舶在海洋中航行时遭遇的波浪都是不规则波，不规则波可以理解为一系列规则波的组合，在模拟计算时，由于规则波的周期性便于分析波浪对船舶的作用，一般会选用规则波进行模拟计算，通过对规则波的计算分析总结出在不规则波中航行的水动力性能。本文通过对规则波顶浪的计算分析，得出船舶在波浪中运行的一般性能，通过对规则波45°顶浪和不规则波顶浪的计算，计算船舶在不规则波中航行的状态。

计算工况如下：

工况1 静水；

工况2 1 阶规则波，波长150m，波高2m，90 度顶浪；

工况3 1 阶规则波，波长150m，波高2m，45 度顶浪；

工况4 不规则波（450 个1 阶规则波组成），有义波高2m，周期9s。

波浪形式见图3、图4 和图5 所示。

图3 规则波90 度顶浪初始波形图

图4 规则波45 度顶浪初始波形图

图5 不规则波顶浪初始波形图

5 计算结果

5.1 升沉

工况1 静水中，升沉幅值为-0.22m 左右，工况2 规则波计算中，在-1m 到-1.6m 做垂荡运动，升沉均值为-1.27m。

图6 升沉对比

5.2 纵摇

工况1 静水计算中，纵倾角度为0.166 度左右，工况2 规则波计算中，在-0.1 度到0.55 度纵摇运动，纵倾角度均值为0.23 度。

图7 纵倾对比

5.3 阻力

工况1 静水计算中，压差阻力约为64KN，工况2规则波计算中，压差阻力在2600KN到-2000KN间波动，压差阻力均值约为321KN，增阻257KN。

注：此时压差阻力超出静水压差的40 倍，将出现不可操控情况，实际情况中无法达到此航速。

工况1 静水计算中，摩擦阻力约为194.5KN，

工况1 静水计算中，总阻力约为258.5KN，工况2 规则波计算中，总阻力在2900KN 到-1800KN间波动，总阻力均值约为529.5KN，增阻271KN。

图8 压差阻力对比

图9 摩擦阻力对比

图10 总阻力对比

5.4 波形图

图11 规则波顶浪波形图

图12 规则波45°顶浪波形图

图13 不规则波顶浪波形图

6 结束语

船舶在波浪中和静水中航行状态差别很大，在增阻方面，摩擦阻力差别不大，主要是压差阻力的增加。此外，船舶与波浪的角度，波浪周期，波高等因素都对船舶的耐波性有较大的影响，在船型开发中，计算船舶在波浪中航行的水动力性能是十分必要的。