基于CFD分析的船舶横摇运动统计特征_李国迎 (1)

关键词：
横摇运动； 统计特征； 数值预报； CFD 分析 + 中图分类号： U661． 32 1 文献标识码： A doi： 10. 3404 / j. issn. 1672 － 7649. 2012. 05. 004 文章编号： 1672 － 7649 （ 2012 ） 05 － 0018 － 05
图2 Fig. 2
船体周围网格划分情况
Schematic illustration of the meshing around the ship hull

2. 2
模型验证
2
2. 1
模型选取及验证
模型选取
为了验证上述建立的数值计算模型的可靠性， 9］中的钝形船体的横摇运动进行数值模 先对文献［ 拟，分析得到了横摇阻尼系数（ 2 N） 及固有周期 （ T ） 。 ［9 ］ 表 2 为数值计算结果与 Kwang Hyo Jung 等 的试验 值对比结果，相对误差均小于 3% 。这说明数值计算 结果是准确可靠的。
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为了成功模拟船舶横摇运动，需应用非结构网 格的动网格技术，所采用的网格变形方法为局部重 划模型。该模型在重划网格之前，先通过网格畸变 率和网格尺寸这 2 个判据将需要重新划分的网格识 别出来，然后根据设定的重划参数和重划间隔来对 网格进行调整以提高计算中网格质量，进而获得精 度较高 的 数 值 解。 船 舶 横 摇 运 动 通 过 自 定 义 函 数 （ UDF） 编程方式在 Fluent 平台上实现。 通过求解船 舶在每一时刻所处运动位置，确定其受到的总外力 矩，根据牛顿第二定律可求得横摇角速度。 利用梯 形算法来预测船舶下一时刻将会到达的运动位置并 通过动网格技术来及时调整船舶运动位置，之后再 进行下一时刻的数值计算。如此循环一段时间后， 由于水的阻尼作用船舶将停止运动。 因此，模拟的 关键在于设置合理的网格重划模型参数，精确地求 解出船体于每一运动时刻所受到的总外力矩 。 计算 过 程 当 中，选 取 Reynolds 应 力 方 程 模 型 （ RSM ） 来使方程组封闭，压强 － 速度关联算法选择 PISO 算法，动量方程和湍流方程都采用一阶迎风格 式离散，压力项采用 Presto！ 格式。 1. 3 计算域的数值处理 计算域示意图如 图 1 所示。 取二维右手直角坐 x 轴向右为正， y 标系，坐标原点定在静水面中心处， 轴向上为正，其中横摇运动的轴心 O 即为坐标原点。
9］中提及的 计算采用的船体模型是按照文献［ 驳船简化船模 （ 钝形船体 ） 试验建立起来的 （ 见 图 3 （ a） ） 。试验在一个理论上二维的波浪水槽中进行， 船体型宽为 0. 3 m，型深为 0. 1 m。由于该钝形船体 在初始横摇角超过 20° 时船舷已入水，此时会影响到 横摇运动的动力响应，不利于数值模拟的结果分析。 因此，本文更换船体模型，将船体型深设置为 0. 2 m，同时对钝形船体的舭部进行圆角化处理［10］，通 过改变船体舭部结构形状的方式来研究横摇运动特 性。船体的形状如图 3 （ b） 所示。舭部采用圆弧形状 （ 半径以 R 表示） ，无舭部升高。 模型的具体参数见 表 1 。表中 B 为船模型宽，D 为船模型深，d 为吃水 深，C M 为船体横剖面系数。
The statistic characteristics of ship rolling amplitude based on CFD analysis
LI Guoying1 ，ZHU Liangsheng1 ，JI Dongfang2 ，HU Jinpeng1 （ 1． School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology，Guangzhou 510640 ，China； 2． Huadu Detachment of Guangdong Fishery Administration，Guangzhou 510800 ， China） Abstract： Accurate prediction of large roll motion has been a focus research issue of the ship
［1 － 3 ］ 。 动力学特性及其相关问题开展过近似解析研究 引起船舶非线性横摇的因素有很多，其中非线
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引
言
大幅横摇是构成对船舶安全威胁最大的摇荡运 ， 动 是导致船舶倾覆的最主要原因。 迄今为止，人 们已经在船舶横摇问题的研究中取得了一致的见解 ， 即横摇运动属于非线性随机动力学问题，特别是船 舶做大幅横摇时将表现出复杂的非线性特征，如跳 跃、分岔、混沌等，因此很难用理论方法来求解船舶 的非线性横摇运动。 人们为此做了许多研究工作， 从不同的角度、以不同的形式对船舶非线性横摇的
格重划区，矩形区域外为静态结构网格区域； 同时， 在水平方向，为了避免水池边界的反射作用对运动 船体周围流场的影响，把水池的长度取得相对较大， 并且在离船体较远的区域采用了逐渐变稀的网格 ， 起到了数值消波的功能，可以消去船体运动产生的
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第 34 卷
辐射波，这与试验中采用海绵层来消波所达到的效 果相同。
第 34 卷第 5 期 2012 年 5 月
舰 船 科 学 技 术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol． 34 ，No． 5 May， 2012
基于 CFD 分析的船舶横摇运动统计特征
1 1 2 1 李国迎 ，朱良生 ，纪东方 ，胡金鹏
（ 1． 华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640 ； 2． 广东省渔政总队花都大队 船舶检验科 ，广东 广州 510800 ） 摘 要：
engineering． A numerical simulation study on the ship roll was carried out through the CFD software Fluent． Twodimensional finite volume models of roll decay motion were established． Based on the models， a numerical simulation of roll decay motion of a series of hull from different initial rolling angles in still water were carried out． The statistic characteristics of ship rolling amplitude were obtained，and a numerical prediction of large roll was proposed． Key words： roll motion； statistic characteristics； numerical prediction； CFD analysis
，取得了一定的效果。
本文以商业计算流体力学 （ CFD ） 软件 Fluent 为 平台，通过对一系列船体于静水中作不同初始横摇 角的自由横摇运动进行数值模拟，分析得出船体从 微幅横摇向大幅横摇过渡的过程中横摇角幅值存在 一定的统计规律，并提出基于此统计规律对船体的 大幅横摇运动进行数值预报的方法，从而为预报船 舶的横摇运动提供了一个数值手段，具有一定的参 考价值。
性阻尼是影响横摇幅值的重要因素，准确地计算出 横摇阻尼是估算大幅横摇的重要前提 。然而， 由于横 摇时船舶附近流场的复杂性，用水动力学理论精确 求解横摇阻尼尚存在很大困难。 现阶段人们主要利 用基于试验获得的经验公式 或直接通过船模试验 来确定横摇阻尼。 但这些手段都具有局限性，前者 存在一定的适用性问题； 后者不仅耗费高，而且试 验结果的精度也会受到试验设备及分析方法等因素
图3 Fig. 3 船体形状
可忽略的影响。图 5 给出了钝形船体作初始横摇角 为 10° 和 30° 的自由横摇相平面。 通过比较发现，横 摇角度一旦增大，相平面的形状也变得扁平起来，
Shape of the ship hull
第5 期
李国迎，等： 基于 CFD 分析的船舶横摇运动统计特征
为了准确描述船体横摇时周围流场 （ 尤其是近 壁区域流场） 对横摇运动的影响，在网格划分时采用 了局部加密技术。如 图 2 船体位于中间矩形非结构 网格加密区域内，在数值计算中矩形加密区域为网
μ
v v － p － g 。 + ( ) y ρ x y
2 2 2 2
（ 3）
式中： u 和 v 分别为流体质点在 x 和 y 方向的速度分 量； ρ 为流体密度； μ 为动力粘性系数； g 为重力加 速度。
船舶大幅度横摇的准确预报一直是船舶工程界关注的热点研究方向之一 。 基于 CFD 软件 Fluent 对
船舶横摇问题进行了数值模拟研究，建立了船体自由横摇运动的有限体积模型 。通过对一系列船体于静水中作不同 初始横摇角的自由横摇运动进行数值模拟，分析得出船体横摇非线性过程中横摇角幅值存在一定的统计规律，并提 出基于此统计规律对船体的大幅横摇运动进行数值预报的方法 。
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收稿日期： 2012 － 02 － 27 ； 修回日期： 2012 － 03 － 08 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 10902039 ） 作者简介： 李国迎（ 1986 － ） ，男，硕士研究生，从事船舶与海洋工程水动力学研究 。
第5 期
李国迎，等： 基于 CFD 分析的船舶横摇运动统计特征 1. 2 主要数值方法
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的限制，给横摇运动的预报工作带来了极大的不便 。 近年来，随着数值计算理论的发展，计算流体力学 S 方程天然地计入了流 也有了长足的进步。 由于 N体粘性影响以及流动分离、漩涡泄出等非线性影响， S 方程 （ RANS ） 的数值计算方法运 基于雷诺平均 N用于此问题的计算，研究人员仅做过一些基础性研 究