第３８卷第７期
２０１７年７月哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ．３８№．７Ｊｕｌ．２０１７
ＣＦＤ方法的船舶骑浪稳性研究
石博文１，刘正江１，杨波２
（１．大连海事大学航海学院，辽宁大连１１６０８５；２．海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连１１６０１８）
摘 要：为研究船舶骑浪状态下的稳性损失，本文基于计算流体力学方法，对船舶骑浪航行时的复原力臂进行了计算。采用边界造波法构建了适用于船舶骑浪航行的规则波数值波浪水池，以某瘦长型船模为例，对其在静水及３种不同波高波浪中骑浪航行且波峰位于船舯时的流场进行了数值模拟，综合计入波浪及船行波影响，计算了船模在不同横倾角下的复原力臂，得到了不同工况下的船模稳性曲线。实验结果表明，船舶骑浪航行时，波高越大，稳性损失越严重；骑浪航行时船舶航速较高，在计算稳性损失时，船行波的影响不可忽略。
关键词：船舶；骑浪；波浪稳性；计算流体力学方法；复原力臂；边界造波法
ＤＯＩ：１０畅１１９９０／ｊｈｅｕ．２０１６０４０３９
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３畅１３９０．ｕ．２０１７０４２７畅１４１２畅０５０．ｈｔｍｌ
中图分类号：Ｕ６６１畅３２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６－７０４３（２０１７）０７－１０３５－０６
Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｓｕｒｆ－ｒｉｄｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆａｖｅｓｓｅｌｂａｓｅｄｏｎＣＦＤ
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（１．ＮａｖｉｇａｔｉｏｎＣｏｌｌｅｇｅ，ＤａｌｉａｎＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０８５，Ｃｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ，ＤａｌｉａｎＮａｖａｌＡｃａｄｅｍｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０１８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｉｇｈｔｉｎｇａｒｍｏｆａｓｈｉｐｉｎｓｕｒｆ－ｒｉｄｉｎｇｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｌｏｓｓｏｆａｓｈｉｐｉｎｓｕｃｈａｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．ＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｗａｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓｍｅｔｈｏｄ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｔａｎｋｏｆｒｅｇｕｌａｒｗａｖｅｓ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒａｓｈｉｐｉｎｓｕｒｆ－ｒｉｄｉｎｇ，ｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｂｏｒｄｅｒｗａｖｅ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｓｅｃｏｎｄ，ｕｓｉｎｇａｓｌｅｎｄｅｒｓｈｉｐｍｏｄｅｌａｓａｃａｓｅ，ｗｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃａｌｍｗａｔｅｒａｎｄｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆ－ｒｉｄｉｎｇａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ（ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｗｈｅｎｔｈｅｗａｖｅｃｒｅｓｔｗａｓａｔｔｈｅｍｉｄｓｈｉｐｓｅｃｔｉｏｎ）．Ｂｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｗａｖｅａｎｄｓｈｉｐｗａｖｅａｎｄｂｙｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｒｉｇｈｔｉｎｇａｒｍｓｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅｅｌｉｎｇａｎｇｌｅｓ，ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｓｈｉｐｍｏｄｅｌｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｌｏｓｓｉｓｍｏｒｅｓｅｒｉｏｕｓｗｈｅｎｔｈｅｗａｖｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｂｅｃｏｍｅｓｂｉｇｇｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｇｉｖｅｎｔｈｅｈｉｇｈｓｈｉｐｓｐｅｅｄｄｕｒｉｎｇｉｎｓｕｒｆ－ｒｉｄｉｎｇ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｈｉｐｗａｖｅｍｕｓｔｎｏｔｂｅｎｅｇｌｅｃｔｅｄｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｌｏｓｓｏｆａｓｈｉｐｕｎｄｅｒｓｕｒｆ－ｒｉｄｉｎｇｓｔａｔｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ；ｓｕｒｆｒｉｄｉｎｇ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎｗａｖｅｓ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｎｉｃｓ（ＣＦＤ）；ｒｉｇｈｔｉｎｇａｒｍ；ｂｏｕｎｄａｒｙｗａｖｅ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ－ｍｅｔｈｏｄ
收稿日期：２０１６－０４－１５．网络出版日期：２０１７－０４－２７．
基金项目：总装备部装备预研基金项目（９１４０Ａ１４０５０８１４ＪＢ１６００１）．
作者简介：石博文（１９８５－），男，博士研究生；
刘正江（１９５９－），男，教授，博士生导师；
杨波（１９８３－），男，讲师，博士．通信作者：杨波，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇ０４１１２２＠１２６．ｃｏｍ． 船舶在波浪中航行时，波面会导致船体水线面
较静水中发生明显变化，进而改变船体的排水体积、
水线面面积及其绕纵轴的转动惯性矩。当船随浪
（或顺浪）航行时，由于船波遭遇周期变长，波面形
状对船体复原特性的影响更为显著，可能明显地降
低船舶的稳性，这种现象称为纯稳性丧失。目前，国
际海事组织（ＩＭＯ）正在制定的“第二代完整稳性横
准”，将纯稳性损失作为５种波浪中船舶稳性失效
的模式之一［１－２］。
对波浪中船舶稳性损失的研究由来已久。早在１８６１年，Ｆｒｏｕｄｅ就已注意到了波浪中船舶的实际复原力矩可能与理想状态下的结果有着显著的不同，并试图从定量上估算波浪的影响。Ｐａｕｌｌｉｎｇ等基于在旧金山湾进行的船模实验，首次提出了波峰线与船舶中线垂直状态下船舶稳性的实用计算方法。同时从理论上指出，波浪中稳性与静水中的稳性有很大的不同，主要是因为波浪中船型的淹湿形状改变和波浪引起的作用在船体上压力改变产生的，当船舶处于波峰时稳性有可能急剧减小，以致有可能导致倾覆［３］。Ｈａｍａｍｏｔｏ发展了艉斜浪中的稳性计算方法，只是存在大横倾角时其计算结果有时将发散［４］。Ｃｈｉｕ等基于切片理论，采用瞬时湿表面的时域分析法研万方数据