基于CFD技术的静水中船舶强迫横摇虚拟试验策略研究

摘要

船舶在海上的运动可以通过建立横摇运动微分方程来求解，因此需要确定微分方程中的系数。能否准确预报横摇阻尼是横摇运动特性预报的关键和难点，以往基于势流理论的阻尼预报方法只考虑五种横摇阻尼成分中的兴波阻尼，如果不对势流理论加以修正，横摇阻尼预报精度就不具有工程实用性。本文基于CFD技术借助商业CFD求解器对静水中强迫横摇分别进行了二维和三维数值模拟研究，制定了准确预报阻尼系数的CFD模拟策略。同时，二维模拟中还研究了CFD预报横摇阻尼的不确定度，三维模拟中对大幅横摇过程产生的物理现象及舭龙骨减摇效果展开探讨。
　　二维模拟计算量小，更适合零航速下对船体剖面横摇阻尼的快速预报及其他问题的研究。在强迫横摇试验的二维CFD模拟中，作者基于滑移网格技术，详细阐述了采用商业CFD软件FLUENT，模拟强迫横摇试验的计算域、网格、边界条件、时间步长、第一层网格尺寸设置策略，并将这些因素逐一进行了敏感性及收敛性分析。采用能量法获取阻尼系数，与模型试验结果比对，二者结果吻合良好。同时，还研究了CFD预报阻尼系数的不确定度。有航速下，摇荡阻尼取决于航速的大小，因此，有必要研究强迫横摇试验的三维CFD模拟策略。在三维模拟策略的研究中，采用商业CFD软件STAR-CCM+，同样是基于滑移网格技术进行了强迫横摇虚拟试验，CFD预报结果与现有的试验结果对比，二者结果吻合较好。此外，还发现大摇幅时等效线性阻尼系数下的阻尼力矩与实际阻尼力矩有差距。在极端海况下常常出现大幅横摇运动，大幅横摇运动常常导致的舭龙骨出水，通过采用CFD模拟静水中大幅横摇运动，从力学角度研究舭龙骨出水导致的减摇效果剧减的原因，同时还展示了舭龙骨出水再入水所发生的气泡掺混现象，这与其全浸没时的情况是截然不同的。
　　此外，本文还应用CFD技术计算了带单侧舭龙骨圆柱体在强迫横摇过程中的舭龙骨压力载荷，发现舭龙骨压力载荷与横摇阻尼有密切联系，且研究表明随着舭龙骨宽度增加，舭龙骨压力载荷增大，横摇阻尼系数上升。舭龙骨的剖面形状也是影响舭龙骨压力载荷及横摇阻尼系数的重要因素。经对比研究几种舭龙骨剖面形状，发现平板型舭龙骨较楔形及其他复杂型剖面舭龙骨有更好的减摇效果。