強迫搖蕩運動二維矩形月池水動力系數(shù)的CFD計算

楊柳++陳方磊

摘 要：基于計算流體力學(xué)（CFD）理論，并考慮了自由表面的影響（采用VOF方法捕捉自由表面），來模擬二維矩形月池單自由度強迫搖蕩運動，得到縱蕩、垂蕩及縱搖的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，并與線性勢流理論結(jié)果進(jìn)行比較，趨勢基本一致。本文所采用的方法能合理地給出矩形月池結(jié)構(gòu)的水動力系數(shù)，更方便地描述月池內(nèi)部流體的活塞和晃蕩運動，可應(yīng)用于船舶與海洋工程浮式結(jié)構(gòu)的水動力性能研究。

關(guān)鍵詞：水動力系數(shù)；月池；強迫搖蕩運動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.222

0 引言

鉆井船、FPSO及Spar平臺等海洋結(jié)構(gòu)常根據(jù)實際需要布置垂直方向貫穿結(jié)構(gòu)主體的月池結(jié)構(gòu)。由于底部開口，月池內(nèi)流體運動存在兩類固有振蕩形式，即“活塞”運動與“晃蕩”運動[1-3]。對于波浪與月池結(jié)構(gòu)的相互作用的研究而言，輻射問題的研究具有重大的意義。將輻射波載荷與對應(yīng)的結(jié)構(gòu)運動加速度和速度分離，進(jìn)而得到與加速度、速度有關(guān)的輻射載荷作用系數(shù)，分別稱為結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)。月池結(jié)構(gòu)的水動力系數(shù)如附加質(zhì)量與阻尼系數(shù)是研究月池內(nèi)流體水動力特性以及活塞和晃蕩現(xiàn)象發(fā)生的基礎(chǔ)。

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)和計算技術(shù)的飛速發(fā)展，計算流體力學(xué)（CFD）也有了長足的進(jìn)步。基于CFD理論的海洋浮式結(jié)構(gòu)物水動力學(xué)方面的數(shù)值模擬，因為具有費用低、無觸點流場測量、無尺度效應(yīng)、能消除物體模型中由傳感器尺寸及模型變形等因素對流場的影響、可獲得較為詳細(xì)的流場信息等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注，切應(yīng)用范圍越來越廣[4-5]。

1 計算模型及結(jié)果

本文所采用的計算域、計算模型尺寸如圖1所示。由于月池微幅振動產(chǎn)生的波動會在模型兩側(cè)反射回來，因此在水槽兩側(cè)設(shè)置消波區(qū)。水槽長度20m，高度6m，消波去寬度2m，月池寬度1m，高度1.5m，吃水1m。

為了驗證本文方法的有效性和準(zhǔn)確性，就底部開口為0.25m的月池剖面所作的單一縱蕩、垂蕩和縱搖運動下的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。當(dāng)月池以固定的頻率和幅值作單一模態(tài)的振蕩運動時，通過流場的計算可以獲得對應(yīng)模態(tài)下的力和力矩。當(dāng)月池以周期為2s，位移幅值為0.01m作純垂蕩運動，即以為位移規(guī)律運動時，利用最小二乘法進(jìn)行.到，則。再進(jìn)行相位分解和無量綱化可以得到附加質(zhì)量，阻尼系數(shù)。同理可以得到縱蕩和縱搖的水動力系數(shù)。本文所采用數(shù)值模擬方法可以準(zhǔn)確得到三種模態(tài)水動力系數(shù)曲線峰值處的頻率，但是數(shù)值計算所得到的峰值處的結(jié)果比理論結(jié)果略小，這是由于在數(shù)值計算時使用Fluent軟件時會產(chǎn)生一定的誤差，所以峰值處的水動力系數(shù)數(shù)值還需要通過模型試驗進(jìn)行對比驗證。

2 結(jié)語

以CFD理論為基礎(chǔ)，以連續(xù)性方程和方程為控制方程，對二維矩形月池強迫搖蕩運動進(jìn)行數(shù)值模擬獲得各模態(tài)下的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，并與線性勢流理論計算結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合良好。研究表明，文中所提出的獲得水動力系數(shù)的方法與傳統(tǒng)的線性勢流理論計算方法相比，計入非線性等的影響；與物理模型試驗相比，具有更加快捷高效、無尺度效應(yīng)、費用低廉等優(yōu)點。

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作者簡介：楊柳（1993-），男，碩士，研究方向：港口海岸及水動力學(xué)。