基于CFD 技术的隐身舰船波浪中横摇运动研究

周天骄

(中国船舶集团有限公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

0 引 言

水面舰船对海上作战有重要影响，对于水面舰船的防御手段也日益增加，因此对舰船的隐身性能提出了要求。隐身舰船通常采用内倾舷墙的船型设计，舭部与舷侧折角形式连接，能够有效地减少雷达的反射截面，降低被雷达探测的几率。

在研制某摇摆试验台时，根据项目要求，将用于承载舰载武器装备开展摇摆条件下的动态精度、可靠性以及高海清环境适应性试验等，需能够精确模拟舰船在波浪中纵摇和横摇2 个自由度的摇摆运动。为研究舰船在波浪中的横摇、纵摇运动，通常采用试验水池的方法。为追求精确的试验结果，对试验者要求较高，且在模拟高海情舰船试验极易对船模造成毁损。随着计算机计算能力的提升，数值水池造波的应用越来越广泛，目前已基本能够模拟物理试验水池的主要功能。

参数横摇是当舰船航行于纵浪或接近纵浪，且所遭遇波浪波长与船长近似相等时，在短时间内出现大幅值的横摇运动。与横浪中的横摇运动有着本质上的不同，出现参数横摇的内部机理是，舰船与所遭遇波浪的相对位置随着时间发生改变，导致水线面面积由于吃水变化引起的周期性变动，从而导致了回复力矩的波动。隐身舰船为实现良好的隐身效果，采用的内倾舷墙式设计同样存在该隐患。目前国内外学者已经开始对舰船在迎浪中的大幅值横摇开展研究。William N.France等提出引发参数横摇的条件：船舶横摇周期约为遭遇周期的2 倍、舰船航行于近似纵浪条件下。赵春慧通过进行参数横摇模型试验，得出结论：在试验开始时刻，给船模初始横向倾角，会缩短达到稳定参数横摇所需时间，且不影响参数横摇的稳定横摇幅值。葛文澎采用粘性CFD 方法对集装箱进行参数横摇模拟，通过与切片法以及试验数据的结果比对，验证了利用CFD 方法进行参数横摇模拟具有更高的精度。

为准确全面地分析隐身舰船在波浪中的横摇运动，提出采用CFD 方法，通过构建数值水池，模拟隐身舰船在波浪中的横摇运动以及甲板上浪对舰船运动的影响，为摇摆试验台的后续研究提供指导。

1 隐身舰船横摇运动模型与数值模拟

1.1 数值方法

本文使用CFD 方法，对隐身舰船进行数值模拟，对舰船在迎浪中的大幅值横摇运动及横摇过程中出现的强非线性现象进行研究，对于粘性流体，需满足连续性方程:

式中：为粘性流体的流体密度；，，为3 个相互垂直的速度分量；、、为3 个相互垂直的质量力；为压力；为粘性系数；div 为散度。假设目标流体不可压缩，即密度为定值，且忽略散度项，则式（1）和式（2）可改写为：

将式（4）简写为矢量形式：

1.2 研究对象

针对DTMB 5613 型隐身舰船进行数值模拟，该船型由美国海军水面舰船研究中心提出，外观近似于DDG1000 型内倾船，图1 为DTMB 5613 型隐身舰船三维模型。

图1 DTMB 5613 三维模型Fig.1 The 3D model of DTMB 5613

1.3 网格划分与边界条件

重叠网格基于动网格，在背景网格与重叠网格交界处采用插值计算，能够参照船体的自由度进行运动，即重叠网格的部分区域与船体共同运动，理论上讲任意方向、任意幅值的运动都能被精确捕捉，对大幅值运动的模拟有较好的精度，本文采用重叠网格对舰船的横摇运动模拟，采用VOF 法对自由液面进行捕捉。

针对数值造波，在单个波长内保持不少于100 层网格，波高范围内不少于12 层网格，时间步长设定为波浪周期的1/500，自由液面采用多体控制以实现网格尺寸过渡均匀，减小网格体积突变所产生的计算误差，如图2 所示。

图2 数值水池造波网格示意图Fig.2 Schematic diagram of gridding to the numerical wave tank

全域数值模拟网格方案如图3 所示。

图3 重叠网格Fig.3 Overlapping grid

数值模拟计算域尺寸设置为2 2 m×9 m×6 m（长×宽×高），船体部分设置为不可滑移壁面，入口截面、顶部、底部设置为速度入口，出口截面设置为压力出口，左右两侧设置为对称面。针对舰船横摇运动存在的强非线性现象，选用-ε模型。

图4 计算域与边界条件示意图Fig.4 Schematic diagram of computational domain and boundary conditions

2 计算结果分析

2.1 初始扰动对舰船横摇的影响

根据国内外文献研究以及数值模拟前期数据发现：舰船在确定工况下发生参数横摇通常需要经历数个横摇周期，过长的发展时间对网格量大、时间步长小、迭代次数多的CFD 数值模拟非常不利。为了加速舰船达到稳定参数横摇的进程，首先在初始时刻对舰船施加不同程度扰动，分析初始扰动对参数横摇的影响。选取施加横摇角速度作为初始扰动，统计达到参数横摇稳定阶段所需周期、最大幅值和稳定幅值，分析初始扰动对参数横摇的影响。针对波陡0.04 的迎浪规则波，设定傅氏数F=0.15，在释放船模时分别对船模施加0.05 rad/s 与0.5 rad/s 的初始横摇角速度，时历曲线对比如图5 所示。

从表1 和图5 可以看出，在施加0.05 rad/s 的初始横摇角速度的情况下，经历1 8 个周期，达到了18.49°的稳定横摇幅值，其中最大横摇幅值为20.68°，而施加了0.5 rad/s 的初始横摇角速度后，仅经历8 个横摇周期，就达到了稳定横摇阶段，横摇幅值为18.54°，其中最大横摇幅值为20.11°。对比发现，施加0.05 rad/s 与0.5 rad/s 的横摇角速度在参数横摇线性稳定后无明显差异，仅缩短了参数横摇达到稳定所需时间，即初始扰动不影响参数横摇的最终结果，后续为减少计算用时，均在初始时刻对船模施加0.5 rad/s 的横摇角速度。

图5 不同初始横摇角速度参数横摇时历曲线图Fig.5 Duration curve of different initial yaw velocity

表1 不同初始扰动下参数横摇数据统计Tab.1 Data statistics of parametric roll with different yaw velocity

2.2 航速对舰船横摇的影响

舰船发生参数横摇需满足特定的遭遇频率，当遭遇频率接近2 倍舰船横摇固有频率时，存在发生参数横摇的风险。在确定遭遇波长的情况下，通过色散关系可以确定遭遇频率，计算公式如下：

式中：ω为波浪的自然频率；为船舶航速；β为航行方向与遭遇波浪的夹角。

本文研究隐身舰船在迎浪中的横摇，数值模拟选用迎浪规则波，即 β=180°，遭遇频率只与航速有关。在规则波波长等于船长的条件下，针对4 个航速的试验工况进行模拟。航速、傅氏数及遭遇频率与横摇固有频率比值的对应关系见表2，得到的横摇运动时历如图6 所示。

图6 各航速下横摇运动时历曲线Fig.6 Duration curve of parametric roll with different yaw velocity

表2 迎浪时航速与傅氏数及遭遇频率与横摇固有频率比值的对应关系Tab.2 Matchup of velocity and ratio of encounter frequency to inherent frequency

可以看出，在F=0.15时发生了明显的参数横摇现象，此时遭遇频率与横摇固有频率的比值约为1.986，与其他存在参数横摇隐患的船型相符，但当F=0.175，遭遇频率与横摇固有频率的比值为2.077时，经过5 个周期的横摇，并没有发展为稳定的参数横摇。由此可见，较于常规船型，隐身舰船发生参数横摇的频率区间较小。当F=0.10与F=0.20时，均未发生参数横摇现象。

2.3 波陡对舰船横摇的影响

波陡对参数横摇的发生有重要影响。波高增加，会导致水线面面积变化加剧，由此复原力矩的周期性变化更加显著；当波长近似等于船长时，船波相对位置变化导致的水线面面积变化最剧烈。选取傅氏数F=0.15，模拟波长等于1 倍船长，波陡为 0.01，0.02，0.03 和0.04 时，以及波陡为0.04，波长为0.9，1 和1.1 倍船长时的横摇运动。计算得到的横摇运动时历如图7 所示，相应的数据结果见表3。

表3 各波高下横摇模拟相关数据Tab.3 Data statistics of parametric roll with different wave height

由图7 可知，在波长不变，仅改变波高的情况下，隐身舰船的横摇运动：波陡S=0.01时未发生参数横摇；波陡S=0.02时经历10 个周期后达到了稳定横摇阶段，稳定幅值约为22.84°，最大幅值为26.54°；波陡S=0.03时内倾船经历7 个周期达到稳定横摇阶段，稳定幅值约为24.97°，最大幅值为28.16°；波陡S=0.04时经历8 个周期达到稳定的横摇阶段，稳定幅值约为18.54°，最大幅值为20.11°。可以看出，在波陡S处于0.01～0.03 阶段，随着波高的增加，舰船达到稳定横摇所需周期逐渐减少，稳定的横摇幅值与最大横摇幅值均呈增加的趋势，当波陡S处于0.03～0.04 时，则出现了波陡增加，达到稳定横摇周期增加，稳定横摇幅值与最大横摇幅值减小的现象，这与其他存在参数横摇隐患的船型试验结论不同。在对波长不变，改变波高的情况进行讨论后，对固定波陡S=0.04，改变波长的情况进行分析。

图7 各波高下横摇运动时历曲线Fig.7 Duration curve of parametric roll with different wave height

表4 各波长下横摇模拟相关数据（波陡Sw=0.04）Tab.4 Data statistics of parametric roll with different wave length (Sw=0.04)

根据国内外学者对参数横摇的研究，指出参数横摇仅发生在波长船长比等于0.8～2.0 的情况下，图8为固定波陡=0.04，波长λ=0.9及λ=1.1情况下隐身舰船的横摇运动时历曲线。其中波长等于1 倍船长的时历曲线见图7(d)。由图可知，隐身舰船在波长近似等于船长的波浪区间均会发生参数横摇现象，且在波长等于1 倍船长时，内倾船达到稳定横摇用时最短。

图8 各波长下横摇模运动时历曲线Fig.8 Duration curve of parametric roll with different wave length

2.4 甲板上浪对舰船横摇的影响

甲板上浪是因舰船与波浪之间的耦合作用而产生的一种非线性现象，尤其以迎浪中的上浪最为明显。图9 为隐身舰船在F=0.15，=0.04时的甲板上浪情况。

图9 隐身舰船甲板上浪过程示意图Fig.9 Schematic diagram of the process of green water

图9 展示了DTMB 5 613 型隐身舰船航行于迎浪规则波中的上浪过程，由于隐身舰船向后倾斜的穿浪首，及采用低干舷、无舷墙的设计，极易产生爬浪。当舰船产生埋首时，大量水体涌上甲板，加剧了舰船的首部运动（见图9(a)）；当船首抬升，上层建筑阻挡水体流动，会产生 “爬浪”现象（见图9 (b)）；由于船首升高，爬升的水体向上的相对速度分量减小，部分水体顺着上层建筑侧壁离开船体（见图9(c)）；部分水体残留甲板，参与下一上浪过程（见图9(d)）。

甲板上浪不仅与航速相关，还与波长船长比有关，一般波长船长比在1～1.3 的情况下较容易出现甲板上浪。舰船发生参数横摇时波长近似等于船长，且多发生于迎浪条件下，这也表明甲板上浪在隐身舰船发生参数横摇时往往伴随发生。

模拟结果显示，波陡S=0.03的情况下，隐身舰船发生参数横摇24.97°的稳定横摇幅值，远大于波陡为S=0.04时18.54°的稳定幅值，与现有集装箱船等船型波陡与参数横摇剧烈程度正相关的结论不一致。为研究此突变现象，对比波陡0.03 与0.04 的模拟场景发现，对应同一时刻，波陡0.04 的波浪条件下，发生了明显的甲板上浪情况。如图10 右系列所示，在发生参数横摇时，甲板上浪导致甲板上存在相当体积的积水。而在波陡0.03 时，如图10 左所示，则未发生甲板上浪。

图10 波陡0.03（左）与波陡0.04（右）甲板上浪对比Fig.10 Comparison between Sw=0.03 (Left) and Sw=0.04 (Right)

在此提出猜想：甲板上浪产生的积水一定程度上抑制了参数横摇的发生。相当体积的积水改变了舰船的横摇固有周期，使得在增加波陡后反而出现参数横摇幅值减小的情况，且甲板上流动的积水给船体提供了部分回复力矩。为排除甲板上浪的影响，研究参数横摇与波高的真实关系，设置舷墙以抑制甲板上浪。船模如图11 所示。

图11 增加舷墙船模Fig.11 Hull model with balwark

设置与上层建筑平齐的舷墙，从而使得舰船在运动过程中，积水无法涌上甲板，从而不会对参数横摇的模拟起到影响。设置舷墙后运动情况如图12 所示，所得横摇时历如图13 所示。

图12 设置舷墙运动情况Fig.12 Motion of hull with balwark

图13 设置舷墙后参数横摇运动时历曲线Fig.13 Duration curve of parametric roll with balwark

舷墙将波浪与甲板完全隔离开来，排除甲板上浪情况后，舰船经过7 个周期形成稳定的参数横摇运动，最大幅值达31.87°，稳定阶段幅值为28.45°，如表5 所示。

表5 排除甲板上浪影响后系列波高下参数横摇数据Tab.5 Data statistics of parametric roll with different wave height overlook green water

当排除甲板上浪影响后可以得出：随着波高增加，隐身舰船达到横摇稳定阶段所需周期逐渐减少，达到的横摇最大幅值与稳定幅值都有所增加，且需在波陡达到某一临界值时才会发生参数横摇，与其他存在参数横摇隐患船型结论一致。

隐身舰船由于采用低干舷、无舷墙以及向后倾斜的穿浪首设计，在迎浪大波陡情况下极易出现爬浪导致甲板积水，相当体积甲板积水起到部分减摇水舱的作用，增加船舶横摇阻尼，改变船舶横摇固有周期，使得在大波陡（开始产生爬浪）情况下，出现波陡增加，参数横摇稳定幅值下降的情况。

3 结 语

本文针对DTMB 5613 型隐身舰船，研究舰船在波浪中的运动及甲板上浪对舰船运动的影响，建立波浪数值水池，模拟了隐身舰船在迎浪规则波下大幅值横摇，即参数横摇运动的发生，分析初始扰动、航速、波陡以及甲板上浪对参数横摇的影响。结果表明，隐身舰船在迎浪规则波下存在发生大幅值横摇，即参数横摇的可能，且横摇幅值达到28.16°，伴随参数横摇现象，往往会有甲板上浪的发生，且对参数横摇有一定的抑制作用。通过以上分析，证明利用CFD 方法可以对舰船在波浪中的大幅值、强非线性运动进行较为准确的模拟，对后续舰船运动研究起到一定指导作用。