船舶在波浪中航行的流場數值模擬分析

汪異周文平

瀘州職業技術學院 四川 瀘州 646005

船舶在波浪中航行時，粘性繞流場狀態決定了船體的水動力性能[1]。然而，波浪中運動的船舶會產生周期性的搖蕩運動，使得船舶水下形狀發生變化，從而引起船體周圍的粘性繞流場的變化，對船舶的耐波性和快速性等產生不利影響。目前對船舶粘性繞流場的研究主要有實驗方法和CFD方法[2]。通過直接求解雷諾時均三維粘性N-S方程的CFD數值模擬方法能得到繞流場細節，進而分析船舶在水環境中的耐波性及快速性等性能，具有明顯的優勢[3]。

本文采用商用軟件ANSYSFluent對船舶在迎浪狀態下縱搖、垂蕩和橫搖三自由度耦合航行時的流場進行數值模擬，分析迎浪航行對船舶的阻力、橫搖及自由表面波形等性能的影響規律。

一、數值模擬方法

1.計算模型及網格

本文計算對象為Wigley船型，船體基本尺寸為：長L=2m，寬B=0.2m，吃水T=0.125m。

對于船舶繞流建模，計算域的選取要確保不影響計算流場。本模型中，整個計算域為長方體，進口距船首2L，設置為速度入口邊界；出口距船尾4L，設置為壓力出口邊界；四面為對稱邊界（法向速度和其他物理量的法向梯度均為0）：左右表面距船體中心2L，上表面距中心0.2L，下表面距中心（即水深）1.5L。

采用ICEM-CFD軟件對流場區域進行非結構化網格劃分，網格總數約為250萬。為確保對邊界層內的流動特性的良好捕捉，對船身近壁面生成棱柱體邊界層網格，且保證第一層網格被布置于Y+小于10的范圍內、邊界層網格法向膨脹率不超過1.2。在自由液面附近，為了較好地捕捉波形，進行適當的網格加密處理。

船舶幾何模型及網格如圖1所示。

圖1 船舶幾何模型及網格

2.數值方法

采用ANSYSFLUENT對模型進行數值模擬。船舶在波浪中航行，船體邊界運動規律是未知的，且會與周圍流場互相耦合。對流場與船體的耦合采用六自由度模型，并編寫UDF（統一光盤格式）文件打開船舶的縱搖、垂蕩和橫搖三個自由度對船體浮態進行模擬。

對自由液面的模擬和跟蹤采用VOF方法。該方法通過計算每個網格單元的流體體積分數構造運動界面，進而確定自由面位置，具有較高的分辨率和精度。

船舶在波浪中航行的數值模擬，需進行數值波浪的制造和邊界產生的反射波的消除。采用ANSYSFluent軟件中包含的明渠流波浪模型進行數值造波。通過入口速度邊界條件面板可選擇相應的波浪模型，本文采用一階Airy線性波浪模型。消波采用數值海灘（Numerical Beach）模型。該模型通過在動量方程中增加阻尼項，可以有效降低從壓力出口邊界產生的數值反射。

湍流模型采用對逆壓梯度流場捕獲較好的SSTk-ω模型。速度和壓力耦合采用SIMPLE算法，離散格式采用二階迎風。非穩態模擬時間步長設置為0.005s，每50步輸出一次計算結果。

二、計算結果分析

對Wigley船型以速度V=1.5m/s，在波速U=2.5m/s、波長 λ=3.85m、波幅 A=0.01925m的波浪中，以遭遇浪向角為180°（迎浪）狀態航行時的流場和浮態進行模擬。

圖2為船舶迎浪航行時，不同時刻的自由面波形云圖。從圖中可以看出，迎浪航行時，自由面波形呈對稱分布；波浪在向后傳播的過程中與船舶航行時的興波相互作用和混合，最后在消波區逐漸消失。

圖3為船舶阻力系數及縱搖角、橫搖角的時間歷程。波浪的存在使得船舶阻力系數及動力響應呈現正弦周期性變化的特點。迎浪航行時橫搖角較小，可忽略不計。

圖2 迎浪航行時不同時刻的自由面波形云圖

圖3 迎浪航行時船舶阻力系數及縱搖角、橫搖角的時間歷程

三、結論

本文采用三維非穩態CFD方法，對船舶在迎浪狀態下多自由度耦合航行的粘性流場進行數值模擬，結果表明：船舶迎浪航行時，自由面波形呈現對稱分布；船舶阻力系數及動力響應呈現正弦周期性變化的特點；橫搖角較小，可忽略不計。本文基于VOF方法和高精度自由面捕捉技術的三維非穩態CFD方法能用于船舶在波浪中搖蕩運動及耐波性的模擬研究。※

[1]李良彥.船舶阻力及粘性流場的數值模擬[D].大連：大連理工大學，2008.

[2]吳鐵成.船舶精細流場數值模擬及基于PIV的實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2015.

[3]吳乘勝，朱德祥，顧民.數值波浪水池中船舶頂浪運動模擬研究[J].船舶力學，2008，12（5）：692-696.