強迫搖蕩運動二維矩形月池水動力系數的CFD計算

楊柳++陳方磊

摘 要：基于計算流體力學（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量和阻尼系數，并與線性勢流理論結果進行比較，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構的水動力系數，更方便地描述月池內部流體的活塞和晃蕩運動，可應用于船舶與海洋工程浮式結構的水動力性能研究。

關鍵詞：水動力系數；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平臺等海洋結構常根據實際需要布置垂直方向貫穿結構主體的月池結構。由于底部開口，月池內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]。對于波浪與月池結構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的結構運動加速度和速度分離，進而得到與加速度、速度有關的輻射載荷作用系數，分別稱為結構的附加質量系數和附加阻尼系數。月池結構的水動力系數如附加質量與阻尼系數是研究月池內流體水動力特性以及活塞和晃蕩現象發生的基礎。

近年來，隨著計算機技術和計算技術的飛速發展，計算流體力學（CFD）也有了長足的進步。基于CFD理論的海洋浮式結構物水動力學方面的數值模擬，因為具有費用低、無觸點流場測量、無尺度效應、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、可獲得較為詳細的流場信息等優點而受到廣泛關注，切應用范圍越來越廣[4-5]。

1 計算模型及結果

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生的波動會在模型兩側反射回來，因此在水槽兩側設置消波區。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行數值模擬。當月池以固定的頻率和幅值作單一模態的振蕩運動時，通過流場的計算可以獲得對應模態下的力和力矩。當月池以周期為2s，位移幅值為0.01m作純垂蕩運動，即以為位移規律運動時，利用最小二乘法進行.到，則。再進行相位分解和無量綱化可以得到附加質量，阻尼系數。同理可以得到縱蕩和縱搖的水動力系數。本文所采用數值模擬方法可以準確得到三種模態水動力系數曲線峰值處的頻率，但是數值計算所得到的峰值處的結果比理論結果略小，這是由于在數值計算時使用Fluent軟件時會產生一定的誤差，所以峰值處的水動力系數數值還需要通過模型試驗進行對比驗證。

2 結語

以CFD理論為基礎，以連續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行數值模擬獲得各模態下的附加質量和阻尼系數，并與線性勢流理論計算結果進行比較，兩者吻合良好。研究表明，文中所提出的獲得水動力系數的方法與傳統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、費用低廉等優點。

參考文獻：

[1]Faltinsen O M，Timokha A.Sloshing[M].London：Cambridge University Press，2009.

[2]Miles J W.On the eigenvalue problem for fluid sloshing in a half-space[J].Journal of Applied Mathematics and Physics，1972，23（06）：861-869.

[3]Gupta H，Blevins R，Banon H.Effect of moonpool hydrodynamics on spar heave[C].ASME，2008.

[4]Korpus R A，Falsarano J M.Prediction of viscous ship roll damping by unsteady navier-stokes techniques [J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，1997，119：108-113.

[5]Chang H X，Miao G P，Liu Y Z.Numerical simulation of viscous flow around a rolling cylinder with ship-like section[J].China Ocean Engineering，1995，9（01）：9-18.

作者簡介：楊柳（1993-），男，碩士，研究方向：港口海岸及水動力學。