基于CFD的船舶頂浪遭遇畸形波數值模擬

石博文， 劉正江， 張本輝

(1.大連海事大學 航海學院， 遼寧 大連 116026; 2.海軍大連艦艇學院 航海系， 遼寧 大連 116018)

基于CFD的船舶頂浪遭遇畸形波數值模擬

石博文1， 劉正江1， 張本輝2

(1.大連海事大學 航海學院， 遼寧 大連 116026; 2.海軍大連艦艇學院 航海系， 遼寧 大連 116018)

針對畸形波對船舶航行極具威脅，已引發多起海上事故的情況，對艦船遭遇畸形波進行數值模擬研究。采用考慮航速改進的相位調制方法，以DTMB5512船模為目標船，在頂浪航行狀態下實現艦船定時、定點遭遇畸形波的數值模擬。研究證實畸形波對艦船的不利影響明顯大于一般大風浪航行，在畸形波情況下獲取的非線性運動響應(包括縱搖、垂蕩、垂蕩加速度、壓強和瞬時增阻)最大值是一般大風浪情況下的1.5倍以上。

船舶;計算流體動力學(CFD);畸形波;頂浪;數值模擬

Abstract: The freak wave is a menace to navigation, and has caused quite a few accidents. The numerical simulation of ship encountering with freak waves by means of CFD is of practical value. The phase modulation with navigation speed is proposed to improve conventional simulation method. The DTMB5512 ship model is chosen as the object of the numerical simulation. The simulation result indicates that the negative effects produced by freak waves are rather significant. The maximum value of nonlinear sea-keeping responses (including pitch, heave, acceleration of heave, pressure and instantaneous added resistance) are 1.5 times severer than those in normal rough sea environment.

Keywords: ship; CFD; freak wave; head sea; numerical simulation

畸形波是海洋中高且陡的大波，持續時間很短,但出現的偶然性和巨大的破壞性對船舶航行和海洋工程結構物等極具威脅，已引發多起海上事故。[1]因此,畸形波越來越受到人們的關注，其發生機理及工程應用問題已成為當前物理海洋學界、船舶水動力學界和航海界的研究熱點[2-4]。

目前國內外學者已對畸形波的數值模擬、演化規律及其對近岸結構物的響應進行大量研究，但對艦船遭遇畸形波的搖蕩運動及其動力響應的研究還相對較少。CLAUSS等[5]和BENNETT等[6]對艦船遭遇畸形波進行研究；張本輝[7]采用考慮航速、航向的改進的相位調制方法對艦船遭遇畸形波的海浪環境進行數值建模，實現船模頂浪態勢下定時、定點遭遇畸形波的數值模擬，與水池試驗結果吻合較好，驗證了所建模型的有效性。

這里以DTMB5512船模為研究對象，在頂浪條件下對船舶遭遇畸形波及在惡劣海況下遭遇一般大風浪時的搖蕩運動進行數值模擬，分析遭遇畸形波時的非線性運動響應(包括縱搖、垂蕩、垂蕩加速度、砰擊和瞬時增阻)與遭遇一般大風浪時的不同。

1 畸形波海浪環境的生成

采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法模擬艦船在波浪中的運動時，假設在固定坐標系中航速為U0，則長峰不規則波的波高方程為

(1)

設在位置x=xc,時刻t=tc時生成畸形波，調制初相θi,使部分(或全部)組成波在x=xc,t=tc時ηi(xc,tc)為正，則在此疊加的波高會增大。令組成波數M=M1+M2，則式(1)可表示為

(2)

令

(3)

(4)

令后M2個組成波的合成波波面η2(x,y,t)在預定位置處聚焦,出現大波，需調制后M2個組成波的初相位θi，使ηi(xc,yc,t)>0。具體調制方法見文獻[7]。

2 DTMB5512船模頂浪遭遇畸形波的數值模擬

2.1數值模擬方案

選擇DTMB5512船模作為研究對象，該船數據翔實，是國際船模試驗水池會議(International Towing Tank Conference,ITTC)推薦的用于CFD計算的標準船模，其主要參數見表1。

表1 DTMB5512模型主要參數

在數值水池參數相同的情況下，設計以下2種工況的試驗。

1) 工況1:采用完全隨機的方法，進行不斷嘗試，使艦船在有限的時間尺度范圍內遭遇的隨機波浪的最大波高(采用下跨零點法統計得到)接近H1/10，而不是文獻[6]中根據瑞利分布公式獲取的最大期望波高，前者更加符合海上的實際情況。

2) 工況2:采用相位調制方法，使艦船定時定點遭遇畸形波。

數值水池試驗的主要參數見表2。

表2 數值水池試驗的主要參數

在艏甲板和艏舷側不同部位處設置監測點(見圖1，其中:P1,P2和P3點用于監測砰擊壓強;P4點用于監測上浪壓強)，以比較2種工況下艏部不同部位處沖擊載荷強度和上浪的差異。

圖1 上浪、砰擊壓強監測點位置

2.2計算域、網格劃分及邊界條件

計算域設置為長方體，尺寸為：入口距艏部1L，出口距艉部2L，頂部邊界距水線0.5L，底部邊界距水線1.5L，左、右邊界距舯縱剖面1L。計算域中各邊界條件名稱見圖2，具體設置如下。

圖2 計算域中各邊界名稱

1) 入口邊界(in)：速度入口條件，設置入口處流體的速度、水的體積分數、湍動能k和耗散率ε。

2) 出口邊界(out)：壓力出口條件，設定靜壓力、底面位置和自由面高度，回流的湍動能k及耗散率ε則采用Fluent的推薦值。

3) 上下邊界(top,bot)：速度入口，給定3個方向流速(u=U0,v=w=0)及水的體積分數。

4) 左右邊界(port,stab)：滑移的壁面。

5) 船體(ship)：無滑移的壁面。

采用結構非結構混合網格劃分計算域，網格共有1 911 157個。采用網格整體移動方法與滑移網格方法相結合的動網格方案，對船舶兩自由度搖蕩運動進行數值模擬。該方法的思路為：根據船體所受的力和力矩計算出船體的線速度及角速度，使計算域內所有網格隨船體一起做垂蕩和縱搖運動，這樣可保持計算域內網格的空間拓撲結構不變，有效避免數值計算中因網格質量下降而導致計算發散。

2.3數值模擬結果及分析

2.3.1數值波浪環境的模擬結果

在數值水池工作區中橫向距離船模中心y=2.5 m處設置浪高儀，進行波浪時歷監測，2種工況下采集到的波浪時歷見圖3。工況1的波浪時歷為一般的隨機海浪，利用下跨零點法求得其最大波高為0.126 3;在隨機海浪情況下，由非規則波的統計特性可知，H1/10=1.275Hs=0.127 5,兩者的相對誤差為0.92%，工況1中采集的波浪時歷可滿足試驗需求。

圖3 2種工況下采集的波浪時歷

利用下跨零點法對工況2獲取的時歷所包含的極值大波進行波高特征統計，其畸形波參數見表3。由KLINTING等[8]對畸形波的定義可知，工況2采集的波浪時歷滿足試驗需求。

表3 工況2波浪時歷的特征統計

2.3.2船模搖蕩運動的模擬結果

圖4為DTMB5512船模遭遇畸形波時的瞬時波面圖(t=9.0～11.0 s，每隔0.5 s取一幅圖片，畸形波出現時刻為10.0 s)。

從圖4中可看出:船舶在包含畸形波的非規則波浪中頂浪航行時，出現明顯的砰擊、上浪、淹埋和球鼻艏出水等強非線性現象;而在遭遇大風浪時，船舶的搖蕩起伏加劇，并沒有如此明顯的動力響應。

a) t=9.0 s

b) t=9.5 s

c) t=10.0 s

d) t=10.5 s

在2種工況下測得的DTMB5512船模縱搖、垂蕩及垂蕩加速度(與重力加速度g相除進行歸一化)時歷見圖5。利用下跨零點法對2種工況下的縱搖θ、垂蕩ξ和垂蕩加速度a時歷進行統計分析，求取其谷-峰最大值，結果見表4。

a) 縱搖時歷

b) 垂蕩時歷

c) 垂蕩加速度時歷

表4 2種工況下的統計數據分析

由圖5和表4可知，DTMB5512船模遭遇畸形波時的最大縱搖、垂蕩和垂蕩加速度都明顯大于遭遇一般隨機海浪情況下的值。船模遭遇畸形波情況下的縱搖和垂蕩分別是遭遇隨機海浪情況下的1.576 6倍和1.673 1倍；而垂蕩加速度的比值為3.045 6。2種工況下的垂蕩加速度都小于英國勞氏船級社(Lloyd’s Register of Shipping,LR)的規范值0.39，這是在航速相對較低情況下的結果；若艦船以較高的航速頂浪遭遇畸形波，則垂蕩加速度可能超越船級社的規范值。

2.3.3船體砰擊的模擬結果

DTMB5512船模在遭遇隨機海浪和畸形波2種工況下，壓力監測點P1,P2和P3處壓強值變化對比見圖6。

a) P1點

b) P2點

c) P3點

分析各監測點處壓強值隨縱向運動值的變化趨勢可知:各個監測點先后入水，壓強隨之迅速增大;達到峰值后，隨著監測點入水深度增加，監測點的壓強緩慢下降;當艏部由下沉轉為上浮時，監測點的壓強迅速降低;當監測點出水后，只有空氣的作用，監測點的壓強降低到最低。監測點P1(即艏部底端)處的沖擊壓強最大，其他部位的沖擊壓強從下到上、從前到后逐漸減小。在進行船舶設計時，應考慮到不同部位可能遭受的砰擊載荷。遭遇畸形波時的壓強值大于隨機海浪情況，一般前者P1，P2和P3的最大值比后者的最大值大700 Pa左右。

一般認為艏部出水回落時，其底部與水波的相對速度達到一定值時的速度為臨界速度。臨界速度隨船型和船長的不同而不同，奧奇提出砰擊的臨界速度[9]近似取為

(5)

艏部拍擊水面時的相對速度可由船舶本身的垂向速度和水波垂向的分量2部分組成。在2種工況下，DTMB5512艏部的相對速度vR時歷見圖7。

圖7 DTMB5512艏部的相對速度時歷

由砰擊的定義可知，船舶在設定的大風浪海況下頂浪航行時，由于球鼻艏處入水較深，未發現明顯的砰擊，僅出現4次vR較大的情況；而遭遇畸形波時，則出現2次明顯的砰擊。由圖6可知，艦船遭遇畸形波時砰擊達3 800 Pa左右，相當于實船底部瞬時壓強超過了17.67 t/m2，是比較嚴重的，應充分計入風險評估中，并考慮應對舉措。

2.3.4船體上浪的模擬結果

DTMB5512船模在遭遇隨機海浪和畸形波2種工況下，上浪壓力監測點P4處壓強值變化對比見圖8。通過分析P4處的壓強值隨縱向運動值的變化趨勢可知：在隨機海浪情況下沒有上浪產生，因此P4值接近于0；而在艦船遭遇畸形波時則產生明顯的上浪，且壓強值相對較大，差異比較明顯，差值接近于2 000 Pa；同時，出現了2個峰值，說明出現2次明顯的上浪。

圖8 2種工況下P4監測點處壓強值變化對比

2.3.5增阻的模擬結果

在頂浪態勢下，艦船在2種工況下的阻力變化曲線見圖9。在2種工況下最大瞬時阻力和最大瞬時增阻對比見表5。

圖9 船模在2種工況下的阻力變化曲線

表5 在2種工況下最大瞬時阻力和最大瞬時增阻對比

由表5可知，畸形波海況下增阻歸一化之后的值約為遭遇一般大風浪情況下歸一化值的2倍。艦船在惡劣海況下的瞬時阻力有可能使螺旋槳突然超負荷工作，將會對艦船的動力產生巨大的影響。

3 結束語

以DTMB5512船模為目標船，對現代中型艦船頂浪、遭遇畸形波的非線性搖蕩運動和動力響應進行數值模擬研究，得到以下結論：

1) 在頂浪情況下對艦船在同一海況下遭遇大浪和畸形波進行數值模擬的比較研究，包括縱搖、垂蕩、垂蕩加速度、砰擊、上浪和瞬時增阻等諸多方面，給出比較精確的量化結果。

2) 就艦船在同一海況下以常速(12 kn)頂浪航行而言，遭遇一般大風浪和遭遇畸形波，其航行風險有很大差異。在遭遇畸形波的情況下，即使是8 000噸級以上的現代化艦船，也需考慮減速、調整航向(甚至是規避)等舉措，以減少損失。

[1] 董艷秋,紀凱,黃衍順.波浪中船舶橫搖穩性的研究[J].船舶力學,1999,3(2):1-6.

[2] 劉首華,牟林,劉克修,等.畸形波研究的進展及存在問題[J].地球科學進展,2013, 28(6):665-673.

[3] 高志一,于福江,徐福祥,等.畸形波生成條件預報方法研究進展[J].海洋通報,2011,30(3):351-356.

[4] 沈玉稿. 畸形波的數值模擬及其與海洋結構物相互作用研究[D].上海:上海交通大學,2013.

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[6] BENNETT S S,HUDSON D A,TEMAREL P. The Influence of Forward Speed on Ship Motions in Abnormal Waves: Experimental Measurements and Numerical Predictions[J].Journal of Fluids and Structures,2013,39(5):154-172.

[7] 張本輝.畸形波及艦船遭遇畸形波的數值模擬研究[D].大連:海軍大連艦艇學院,2016.

[8] KLINTING P,SAND S.Analysis of Prototype Freak Waves[C].Coastal Hydrodynamic,1987:618-632.

[9] 吳明.不規則波中艦船搖蕩運動的數值模擬及預報研究[D].大連:海軍大連艦艇學院,2013.

CFDNumericalSimulationofShipEncounteringFreakWavesinHeadSea

SHIBowen1,LIUZhengjiang1,ZHANGBenhui2

(1. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

U661.3

A

2016-05-31

總裝預研基金(51314030101)

石博文(1985—),男,吉林長春人,博士生，研究方向為交通運輸安全保障與防護技術。E-mail:agshi56@sina.com

1000-4653(2016)03-0059-04