高速三体船波浪中运动与增阻CFD计算研究

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波浪增阻下运动帆船水动力性能初探

波浪增阻下运动帆船水动力性能初探摘要：船舶在实际航行过程中，波浪增阻会导致失速现象，进而影响船舶航行的安全性及运动性。

本文对国内船舶波浪增阻研究进展进行了综述，分析研究运动帆船波浪增阻的可行性，旨在帮助运动员及教练员从理论角度深化运动帆船在不同航行环境下船体的反应机理，为运动员在训练和比赛中调整船体浮态提供科学指导，同时为我国帆船运动的可持续发展提供帮助和参考依据。

关键词：运动帆船；波浪增阻；数值模拟1选题背景与意义对于操控性能很好的竞赛运动帆船，驾驶技巧是帆船运动员在比赛中获得较好成绩的重要保障，这就要求运动员必须对帆船船体的快速性、耐波性以及操纵性有足够的了解。

目前我国一定比例的教练员和运动员都是依据自己的经验进行指导与训练，他们并没有接触太多的船舶力学方面的专业知识，对帆船器材的流体动力性能的理解被迫停留在经验层面；比赛中，很多时候运动员调节帆船后，帆船并没有按照自己的意愿行驶，因而没能取得理想的成绩。

运动帆船的训练指导没有获得更科学的技术改进，就导致导致运动员技术水平的发展遇到一定的瓶颈，帆船竞赛的成绩不能更好地提高。

为了掌握考虑波浪增阻情况下帆船船体的水动力性能特点，为运动员在比赛中合理利用帆船水动力性能以提高比赛成绩，本论文探讨研究不同规则波中470级帆船船体水动力性能的可行性，以解决我国教练员和运动员对于帆船船体水动力性能了解不够深入的问题，辅助运动员进行科学训练，为运动员在训练和比赛中调整船体浮态提供科学指导，同时为我国帆船运动的可持续发展提供帮助和参考依据。

2船舶波浪增阻国内研究进展波浪增阻是指船舶在波浪中受到的阻力与静水中受到的阻力之差。

波浪中船舶的阻力主要包括：波浪中船舶运动导致的船舶运动增阻；短波情况下波浪反射导致的波浪反射增阻(或绕射增阻)。

赵连恩等(1993)通过理论是试验计算指出，与静水兴波阻力一样，波浪增阻也存在干扰现象。

邹劲等(1993)运用船型影响函数法对某母型船进行了波浪增阻的计算与船型改进，指出船型设计时必须考虑波浪增阻。

三体船波浪载荷预报研究

三体船波浪载荷预报研究三体船是我国自主研发的一种特种船只，其特点是具有优异的稳定性和运载能力。

然而，在海上航行中，三体船会遇到各种波浪的挑战，这就需要对三体船波浪载荷进行准确预报和分析，以确保船只的运载安全性和航速性能。

三体船波浪载荷预报研究是基于计算机模拟和实测数据分析的方法，旨在预测不同海况、不同航行状态下船只所受到的波浪载荷。

具体而言，该研究包括以下几个方面的内容：第一，建立三体船波浪载荷计算模型。

这是进行波浪载荷预报研究的基础，核心内容是建立三体船的动力学模型、水动力模型和波浪模型。

通过利用计算机软件对这些模型进行数值求解和分析，可以预测波浪对船只的影响和所受到的载荷。

第二，分析波浪对三体船稳定性和航速性能的影响。

波浪是船只在海上航行中不可避免的因素，不同波浪高度、波浪周期和波浪方向都会对船只的稳定性和航速性能产生不同的影响。

因此，需要在波浪模拟的基础上，进行相应的研究和分析，确定船只适宜的航行状态和航速。

第三，研究波浪载荷对三体船结构的影响。

三体船的船体结构是其运载能力和耐久性的保证，因此需要对波浪载荷对其结构的影响进行研究和分析，以保证船只的运载安全性和使用寿命。

第四，结合实测数据对模型进行验证。

模型的准确性和可靠性是波浪载荷预报研究的重点，需要通过实测数据的对比和分析，对模型进行验证和优化，提高预报的准确性和精度。

通过三体船波浪载荷预报研究，可以有效预测和分析船只在不同海况和航行状态下所受到的波浪载荷，进而制定合理的航行计划，确保船只的安全性和运载效率。

此外，该研究还可以为三体船的设计和改进提供重要参考，推动三体船技术的发展和应用。

在三体船波浪载荷预报研究中，需要分析不同海况、不同航行状态下船只所受到的波浪载荷。

以下以船只在自由航行状态下所受到的波浪载荷数据为例，进行相关数据的列出和分析。

1. 波浪高度：0.5-2.5米波浪高度是指波浪峰和波谷之间的垂直距离，是衡量海况的重要指标之一。

三体船随浪中的完整稳性研究

三体船随浪中的完整稳性研究在航海中，船舶的稳定性是一个非常重要的问题。

稳定性是指船舶在遇到外部扰动时能够保持稳定状态的能力。

对于三体船这种特殊的船舶形式，其稳定性研究显得尤为重要。

本文将针对三体船在波浪中的稳定性展开探讨。

一、三体船的基本结构三体船是一种由三个主要船体构成的船舶，通常是两个较小的侧向船体和一个较大的中央船体组成。

这种结构能够提供更大的承载能力和稳定性，适用于一些需要大型载货的船舶。

二、波浪作用下的三体船稳定性在波浪中，船舶会受到波浪的冲击力和摇晃力的作用，而对于三体船来说，由于其结构的特殊性，波浪的作用会更为复杂。

一方面，三体船的中央船体会承受更大的波浪力，另一方面，侧向船体会对中央船体产生一定的支撑作用，从而影响整个船舶的稳定性。

三、三体船在波浪中的完整稳定性研究1.理论分析通过对三体船在波浪中的受力分析和动力学建模，可以得到船舶在波浪中的运动方程，进而可以计算出船舶在不同波浪条件下的稳定性情况。

同时，可以借助计算流体动力学（CFD）模拟软件来模拟船舶在波浪中的运动情况，以进一步验证理论分析的结果。

2.模型试验为了验证理论分析的准确性，可以进行三体船在波浪水池中的模型试验。

通过在模型水池中模拟不同大小和方向的波浪，观察三体船在波浪中的运动情况，并对其进行分析和评估。

这种试验可以为进一步的研究提供基础数据。

3.实际海试验最终，为了验证理论分析和模型试验的结果，可以进行实际的海试验。

在真实海洋环境下，观察三体船在不同波浪条件下的稳定性情况，并对其进行评估。

通过海试验可以更加真实地反映出船舶在波浪中的实际表现。

四、结论三体船在波浪中的完整稳定性研究是一个复杂而重要的课题，需要结合理论分析、模型试验和实际海试验来进行全面研究。

只有深入了解船舶在波浪中的受力情况，才能更好地提高船舶的稳定性性能，确保船舶的安全航行。

希望未来能够有更多的研究投入到这个领域，为船舶工程的发展和进步贡献力量。

超细长三体船在不规则波中的运动及载荷响应研究

超细长三体船在不规则波中的运动及载荷响应研究徐伟;张润华【摘要】Taking an ultra-slendertrimaran as an example, it’s motion and load response in irregular wave has been computed. The results show that the side hulls with light displacement slightly affect the distribution of the vertical bending moment and shear forceas the center of gravity for the trimaran shifts aftwards slightly. The results also indicate that the trimaran can be considered as a beam simply supported at both ends along the ship breadth. The transverse bending moment can be estimated to assess the connection structure of the mail hull and side hull. Different speeds result in different draughts. The calculation demonstrates that the speed of 29 kn is the best for the specific ship.%以1艘超细长三体船为例，分析求解其在不规则波的运动及载荷响应。

根据计算，对响应结果进行分析。

计算结果表明超细长三体船片体较小，对船舶总纵弯矩及垂向剪力分布的影响较小。

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动王建华;万德成【摘要】[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关.[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟.运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动.通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比.通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响.[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性.[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2019(014)001【总页数】8页(P1-8)【关键词】船舶操纵性;自由回转;船—桨—舵相互作用;naoe-FOAM-SJTU求解器;重叠网格方法【作者】王建华;万德成【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.330 引言船舶操纵运动可以反映出船舶在航行过程中的机动性、回转特性和航向的纠偏能力。

操纵性能的优劣与船舶的航行安全和能耗息息相关，其重要性不言而喻。

基于CFD的三体船水动力性能计算

基于CFD的三体船水动力性能计算近年来,随着人们对海洋资源开发的日益迫切以及国际间领海争议的日益激烈,人们对海上运输工具——船舶提出了更高的要求。

高性能船舶也越来越备受关注。

与此同时,由于计算机技术的飞速发展,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)发展迅速。

CFD由于其设计周期短、成本低、精度高等优点,近年来已逐渐成为科研人员设计新船型的主要方法。

本文基于CFD分析软件STAR-CCM+对不同构型的三体船进行了静水阻力、静水航态、波浪总阻力、零航速横摇等水动力性能的计算研究。

首先,本文对不同构型的三体船进行了0.130<Fr<0.805范围内静水阻力和静水航态的数值计算。

针对不同构型的三体船,对比分析了其试验数据和数值模拟的结果,并给出了相对误差。

当三体船周边出现喷溅现象时,相对误差较大；当三体船的体积傅汝德数Fr▽较高时,其航态与排水航行状态相比发生了明显的变化。

当计算工况的体积傅汝德数Fr▽较高时,应该放开三体船相应的自由度。

随后,本文对不同构型的三体船进行了遭遇频率4.0rad/s<ωe<15.7rad/s 范围内波浪总阻力的数值计算。

相同航速的情况下,在某个遭遇频率范围内三体船的波浪总阻力相对较大,低于或高于这个频率范围的波浪总阻力大致相等。

波浪总阻力成分的分析结果表明：造成不同构型的波浪总阻力曲线差异的主要原因是不同构型三体船间的“压阻力”曲线的变化情况不一致；遭遇频率较大或者较小时,各阻力成分(“摩擦阻力”和“压阻力”)的变化幅值均较小,即各阻力成分的数值相对稳定。

最后,本文对不同构型的三体船进行了2.5rad/s<ωe<5.6rad/s范围内零航速横摇运动的数值计算研究。

数值计算结果表明：当遭遇频率频率较小时,随着遭遇频率的减小横摇运动响应因子RAO趋于某一个常数。

基于CFD方法的船舶阻力计算方法探讨

表３给出了在不同的航速下不同的出口边界所得计算结果与试验值的比较，比较得出压力出流边界优于自由出流边界，更接近试验值。模拟所得总阻力系数与试验值比较如图：
由表２看出，湍流模型的选取影响船体阻力、总阻力系数、有效功率的数值计算。标准ｋ—ｅ模型对船舶阻力的数值预报存在明显的误差；ＲＮＧｋ—ｓ模型相对于标准ｋ—ｓ模型有一定的改进，而ＳＳＴｋ一 ∞模型模拟结果更加接近试验值，表明其在船舶粘性流场的计算中有较强的应用能力。这是因为标准ｋ一￡模型只对完全湍流有效；ＲＮＧｋ一￡模型在ｅ方程中改善了模拟高应变流动的能力，可以用来预测涡流；而ＳＳＴｋ一∞模型使用混合函数结合了ｋ—ｓ模型和ｋ一∞ 模型各自的优点，考虑了剪切流动，因而在船舶阻力模拟中
一
料证
航速（ｋｎ）
图５不同离散格式下的有效功率表４不同离散格式下的阻力值（ＫＮ）
由表４看出，一阶迎风格式所得阻力值与试验值的误差最大，对流项修正（仅＝０．８）的计算结果与试验值最为接近。由图５可知，离散格式的变化影响船体的有效功率计算值。一阶迎风格式距试验值有较大误差，对流项修正（仅＝０．８）和高精度格式的功率计算值更加接近试验值。总体来看，对流项修正（仅＝０．８）格式的误差最小，证明其在船舶粘性流场的性能计算中更具优势。
１３４１３６１３８１４０１４２１４４１４６１４８１５０１５２

船舶在长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟

船舶在长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟船舶在海洋中遭遇不规则波浪时，会受到很大的冲击和力量。

波浪的面积和高度都会影响船体的运动，特别是顶浪现象会造成船体纵向运动的变化。

在长峰不规则波中顶浪的数值模拟可以帮助我们更好地理解船舶运动的特点和规律。

本文将介绍一种常用的数值模拟方法：计算流体力学（CFD）分析，在长峰不规则波中的应用。

计算流体力学（CFD）是一种数值分析方法，用于研究流体或气体的运动，可以在计算机上模拟物理问题。

在研究船舶在长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟中，CFD是一种主要的方法。

CFD分析可以帮助我们了解船舶在长峰不规则波中运动的特点和规律，以及顶浪对船体纵向运动的影响程度。

在进行这种数值模拟时，我们需要先建立一个数学模型，并在计算机上模拟长峰不规则波对船体的影响。

该模型需要考虑几何尺寸、流体（海水）的物理特性、波浪幅度、周期和方向等因素。

该模型还需要考虑船体的几何形状、质量分布、流体的黏性等因素。

在CFD分析的过程中，我们可以采用多重网格（Multigrid）技术来优化计算速度和准确度。

这种技术可以将计算区域划分成多个格子，从而加速计算速度，并提高模拟的精度。

模拟结果显示，在长峰不规则波中，船舶的纵向运动受到了顶浪的影响。

当船舶遭遇大波浪时，船体会上下颠簸，并产生很大的浪花和气泡。

当波浪面和船体表面产生接触时，会产生压力和冲击力，从而影响船体的纵向运动。

然而，这种数值模拟方法还有一些局限性。

例如，不同的数学模型可能会得到不同的结果，不同的数值方法可能会对结果产生影响。

此外，在进行数值模拟时，我们还需要考虑一些假设和约束条件，如海水的温度、盐度、湍流等因素，这些因素都可能会影响模拟结果的准确性。

因此，在进行这种数值模拟时，我们需要综合考虑多个因素，并和实际情况进行比较验证，以确保模拟结果的准确性和可靠性。

总之，长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟对于研究船舶的运动特点和规律具有重要的意义。

带T型翼三体船的阻力及耐波性能研究

船舶【３】。
从军、民用两个角度来看，现代船舶都在向快速化，灵活化，稳性良好的方向发展。在这个过程中，三体船由于其出色的水动力性能越来越得到认可。
１．１．３三体船的水动力特点及发展过程
１．１．３．１三体船的水动力特点
现代化的三体船型最早在英国进行了广泛研究［４１。现代高速三体船由一个瘦长中体和两个排水量很小的侧体组成，中体相对常规单体船更加细长，长宽比（Ｉ／Ｂ）一般在１３～１８的范围内；两个侧体的排水量较小，通常占船体总排水量的１５％以下，侧体长宽比（ｔＪＢ）一般大于２０。三体船的水动力性能主要由中体决定，两个侧体则主要起着提高稳性和耐波性的作用［５１。三体船和常规单体船相比，具有很多明显的优点：Ｉ）三体船具有优秀的阻力性能。三体船是由三个瘦长片体组成，所以在高速情况下相比常规单体船，兴波阻力性能更优秀。在中低速情况下，三体船也具有比较优秀的
ａｂｏｖｅ．Ａｎｄ
ｓｏｍｅｒｅｓｕｌｔｓｓｕｃｈ
ａｓ
ｈｅａｖｅａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ｐｉｔｃｈａｎｇｅｌａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｔ
ｓｔｅｍ，ａｍｉｄｓｈｉｐ，ｓｔｅｍｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｔｈｏｄ．ＴｈｅｃｏｍｐｕｔｅｄｄｒａｇＷａｓｆｉｔｔｅｄｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｒｅｓｕｌｔｓ．Ｇｏｏｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｓｔｅｓｔｉｆｉｅｄｆｏｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｌａｗｏｆｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｂｏｔｔｏｍａｎｄｐｉｔｃｈｌｅｖｅｌｗｉｎｇａｎｇｌｅｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｓｅａｋｅｅｐｉｎｇｏｆ

高速三体船迎浪增阻与运动数值仿真

ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎａｎｄｒｅｉｎｆｉｎｇｔｈｅｍｅｓｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｗａｖｅｈｅｉｇｈｔｉｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎ，ｗｅａｒｅａ．ｂｌｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｎｕｍｅｉｃｒａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｉｔｃｈａｎｄｈｅａｖｅｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｈｉｐｍｏｄｅｌｉｎｒｅｇｕｌａｒｈｅａｄｉｎｇｗａｖｅｓｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｓｅｔｔｉｎｇｔｈｅｓｉｘｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄａｔａｏｆｓｈｉｐｍｏｄｅｌｔｅｓｔｃａｌｃｕｌａ．
（江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江２１２００３）
摘
要：基于ＣＦＤ方法建立数值波浪水池，对高速三体船在规则波中迎浪航行时的波浪增阻与纵摇、垂荡进行数值仿真研
究．文中利用ＦＩＮＥ／Ｍａｒｉｎｅ软件，基于斯托克斯波浪理论的造波器模拟规则波，通过边界条件的设置消除波浪反射的影响，
制定合适的计算域尺寸，并在计算域中局部细化水面波高范围内网格，提高数值计算精度．通过体的六自由度设定模拟船模迎浪航行时纵摇和垂荡运动．根据船模试验资料，数值计算三体船模型在规则波中迎浪航行时的波浪增阻与纵摇、垂荡

三体船阻力数值计算及方案优选

力性能更台利。最后按阻力性能，９种计算方案中得出优选方案。从关键词：ｊ体船；件流场；白由表面；值模拟；Ｆ粘数ＣＤ中图分类号：６１３Ｕ６．Ｉ文献标志码：Ａ文章编号：６３—３８（０８０２ — ４１７１５２０）５— １０
船方案的总阻力。分析比较各方案的计算结果后，出三体船阻力性能较优时侧体布局的一般规律，侧体得即纵向位置变化对二体船静水力性能影响较大，三ｔｔ当侧体横向位置不变，较高速度时侧体纵向向后布置对阻在
ＳｎＲｎＷｉｏｕｎＹａｇＺｉａｇＷｉｕＬｉｏＨｉｕｏｇｕＸａ・ａｇｉｎｈ－ｎｕＱ — ｉｕＸａ－ｕ－ｇｆ－ｒ－
ＣｈｎｈｐＤｅｅｏｉａＳｉｖｌｐｍｅｔａｄＤｅｉｎＣｅｅ，ｕａ３０６ＣｈｎｎｎｓｇｎｔｒＷｈｎ４０４，ｉａＡｂｓｒｃ：ＢｙｕｉｇｔｅｅｍｍｅｅａｏｔｒＸｎｈｔａｔｓｎｈｏｒｉ１ｓｆｗａｅＣＦａｄｔｅＶＯＦｍｅｈｄｆｒｔｅｆｅｕｆｅｔｏｏｈｅｓｒａｅ，ｎｌｕｍｅｉｒ— ｃｌｓｍｕａｉｎｏｈＩＣＵｅ．ｕｆｃｏｒｕｎｄｌｔｓｒｍａａｓｐｒｏｍｅｎｏｌａｉｌｔｏｆｔｅＶＳＯＳｆｅ－ｒａｅｆｗａｏｄａｍｏｅｅｔｔｉｒｎｗａｅｆｒｄａｄｅｎ－ｌｓｌ－ｐｒｓｎｒａｅｗｅｎｓｍｕａｉｎａｄｔｓ．Ｔｈｎｖｓｏｓｆｅ — ｕｆｃｏａｏｎｒｍａａｓｉａｉｏｓｗｅｅｍｄｅｂｔｅｉｌｔｏｎｅｔｅｉｅｕｅｓｒａｅｆｗｒｕｄｔｉｒｎｎｌｌｍｏｅｃｌｔｎｎｄｆｒｎｓｄｈｕｌｐｓｔｏｃｎｇｒｔｏｓｗａｎｄｌｓａｅｗｉｈｉｅｉｆｅｔｉｅｅｌｏｉｉｎｏｆｕａｉｎｓｕｍｅｉａｌｓｍｕａｅｉｔｅｉｒｃｌｙｉｌｔｄｎｈｓｍｅｗａａｙ．Ｔｈａｃｌｔｄｒｓｓａｃｅｕｔｒｂａｎｄ，ａｄｔｅｄｓｒｂｕｉｎｏｅｉｔｎｅｃｒｅｅｃｌｕａｅｅｉｔｎｅｒｓｌｓｗｅｅｏｔｉｅｎｈｉｔｉｔｆｒｓｓａｃｕｖｏｒｌｔｈｒａｅｎｆｓｄｕｌｔｈｈｐｓｅｓｉｖｓｉａｅ．ａｓｔｅｖｒａｉｎｆｉｎ— ｅａｉｔｅａｒｎｇｍｅｔｏｉｅｈｌｏｔｅｓｉｐｅｄｗａｎｅｔｔｄＴｈｔｉｈａｉｔｏｓｏｏｎｇｇｇｔｄｎｌｐｓｔｎｏｈｉｅｈｕｌｒｌｔｖｏｔｅｍａｎｈｌｈｖｒａｅｍｐｃｎｔｒｍａａｅｉｕｉａｏｉｏｆｔｅｓｄｌｅａｉｅｔｈｉｕｌａｅａｇｅｔｒｉａｔｏｈｅｔｉｒｎｒ — ｉｓｓａｅｐｅｆｒａｃｎｔｌｉｔｎｃｒｏｍｎｅｉｓｉｗａｅ．Ｗｈｎｈｓｄｅｕｌｉｅｎａｒｎｖｒｅｏａｉｎａｄｌｔｒｅｔｅｉｈｌｓｋｐｔｉａｓｍｅｔａｓｅｓｌｃｔｏｎｐａｅｌｓｒｔｈｔｒｆｔｅｍａｎｈｌｉｏｇｔｉｌｄｉｅｔｎ，ｔｉｂｔｅｏｒｍａａｅｉｔｎｅｌｃｄｃｏｅｏｔｅｓｅｎｏｈｉｕ１ｎｌｎｉｕｄｎａｒｃｉｏｉｓｅｔｒｆｒｔｉｒｎｒｓｓａｃ

三体船波浪增阻与纵向运动数值模拟及试验研究

第42卷第1期2021年1月哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.42ɴ.1Jan.2021三体船波浪增阻与纵向运动数值模拟及试验研究李昂1,李云波2(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001;2.上海海事大学海洋科学工程学院,上海201306)摘㊀要:为了研究三体船航速及不同波陡波浪参数对其波浪中增阻及运动响应的影响,本文首先对三体船在静水中的阻力进行了数值模拟;其次,通过数值模拟计算了三体船在迎浪规则波中总阻力及纵向运动响应,进而得到波浪增阻,并根据试验结果对数值计算结果进行了验证;最后,研究了三体船在短波和长波中波浪增阻和纵向运动响应随波陡变化的非线性特征㊂研究结果表明,数值计算结果与试验结果吻合较好,三体船在高航速时纵向运动响应剧烈,重叠网格数方法更适合模拟三体船高航速纵向运动㊂三体船在高航速时运动及增阻的非线性更加明显,波陡变化带来的非线性影响在长波波浪条件下更加明显㊂关键词:三体船;高航速;波浪增阻;纵向运动;波陡;非线性;重叠网格;数值模拟DOI :10.11990/jheu.201907010网络出版地址:http :// /kcms /detail /23.1390.u.20201210.1627.005.html 中图分类号:U661.31㊀文献标志码:A㊀文章编号:1006-7043(2021)01-034-08Numerical simulation and experimental research on addedresistance and longitudinal motions of a trimaranLI Ang 1,LI Yunbo 2(1.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.College of Ocean Science and En-gineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)Abstract :To examine the effect of the trimaran speed and wave parameters with different steepness on the added resistance and motion responses in waves,first,numerical simulations were performed to predict the resistance of a trimaran in calm water.Second,numerical simulations were performed to predict the total resistance and longitudi-nal motion responses of a trimaran in waves,and then the added resistance was calculated.The numerical results were verified by the available experimental data.Finally,the nonlinear characteristics of added resistance and longitudinal motions varying with wave steepness were investigated in short and long waves at different speeds.The results show that the numerical results have a reasonable agreement with the experimental data and the longitudinal motion responses of a trimaran are intense at high speeds.The nonlinearity of motion and added resistance in waves are more obvious at high speeds,and the nonlinear influence of wave steepness is more obvious under a long-wave condition.Keywords :trimaran;high speed of a ship;added resistance in waves;longitudinal motion;wave steepness;non-linearity;overset mesh;numerical simulation收稿日期:2019-07-02.网络出版日期:2020-12-11.基金项目:国家自然科学基金项目(51979157);上海市自然科学基金项目(19ZR1422500).作者简介:李昂,男,博士研究生;李云波,女,教授,博士生导师.通信作者:李云波,E-mail:yunboz@.㊀㊀三体船在合理的主片体布局下,相比于单体船和双体船,在中高航速下具有良好的阻力性能㊂而在耐波性方面,由于2个侧片体的存在,三体船也具有优良的稳定性以及耐波性能,成为极具应用前景的新船型㊂海上航行的船舶通常会遭遇波浪,船舶在波浪中的增阻会导致主机功率的增加㊂如何精确地预报船舶在波浪中的增阻非常重要㊂在过去的几十年里,波浪增阻以及船舶运动问题已经通过模型试验以及数值计算方法进行了广泛的研究㊂模型试验方法包括对60系列[1]和S175集装箱船[2]㊁Wigley 船型[3]以及KVLCC2船型[4]的波浪增阻问题的研究㊂对于三体船型波浪增阻的试验研究相对较少㊂基于势流理论方法研究波浪增阻问题可以主要分为远场方法[5]㊁近场方法[6]以及Rankine 源法[7]㊂随着计算机技术的迅速发展,CFD 技术在预报船舶波浪增阻以及运动方面得到广泛的应用,基于粘流理论的CFD 数值计算方法考虑了粘性效第1期李昂,等:三体船波浪增阻与纵向运动数值模拟及试验研究应,能够计算船舶的大幅运动㊂国内外研究学者对单体船型进行了大量的CFD 计算研究[8-11],分析了航速㊁波浪周期㊁波幅等参数对波浪增阻及运动的影响㊂吴乘胜等[12]对高速三体船波浪中运动与增阻进行了数值计算研究,分析了侧片体对主船体阻力增加的影响㊂陈悦等[13]对高速三体船在规则波中的波浪增阻及纵向运动进行了数值仿真研究,并通过与模型试验结果进行对比验证其方法的有效性㊂国内外对于航速㊁波陡等参数变化对三体船迎浪规则波中运动带来的非线性的影响研究较少㊂本文针对某三体船型在迎浪规则波中的波浪增阻以及纵向运动进行了数值计算和模型试验研究,分析了三体船不同航速下迎浪规则波中波浪增阻和纵向运动响应特性㊂采用重叠网格和运动域网格方法分别对不同航速下三体船波浪增阻及纵向运动响应进行了数值计算,并通过与船模水池试验结果进行对比分析,探讨了不同网格划分方法对数值计算结果的影响㊂研究了不同波陡波浪参数对三体船波浪增阻及纵向运动的非线性影响㊂1㊀CFD 数值计算方法1.1㊀基本控制方程计算中整个流场属于三维㊁两相㊁黏性的不可压缩流体流动㊂对于湍流的模拟采用雷诺平均法,控制方程为:∂(ρ u i )∂x i=0(1)∂(ρ u i )∂t+∂∂x j (ρ u i u j +ρu i ᶄu jᶄ)=-∂p ∂x i +∂τij∂x j(2)τij =μ∂u i ∂x j +∂u j∂x i()(3)式中: u i 和 u j 是平均速度分量;u i ᶄu j ᶄ为雷诺应力;p 为平均流体压力;μ为流体动力黏度;ρ为流体密度;t 为时间㊂流体计算域使用有限体积法(FVM)进行离散,自由液面采用流体体积函数法(VOF)来捕捉自由液面的运动状态㊂湍流模型选取SST k -ω模型㊂本文中遭遇周期内选取256个时间步长㊂1.2㊀CFD 数值波浪水池为了模拟三体船周围流场,考虑到计算效率以及计算精度,本文建立了图1所示的长方体计算域㊂具体计算域的参数设置为:船前1倍船长,船艉3倍船长,船侧1.5倍船长,自由液面以上1倍船长,自由液面以下2倍船长㊂整个流体计算域关于三体船中体中纵剖面对称,将三体船中体中纵剖面所在平面取为对称平面,侧边边界条件也设置为对称平面㊂入口㊁顶部以及底部边界条件设置为速度进口,出口边界条件设置为压力出口㊂为了避免波浪传播到计算域尾端产生回流而影响整个流场的分布,对波浪进行消波处理,消波区的长度设置为1倍船长㊂图1㊀计算域及边界Fig.1㊀Computational domain and boundaries1.3㊀数值计算网格模型网格划分对于模拟细节流场的计算精度以及迭代的收敛性具有较大影响㊂本文使用重叠网格方法和运动域网格方法对三体船不同航速下静水中阻力及迎浪规则波中纵向运动进行了数值计算㊂重叠网格是将物体各运动单元单独划分网格,再嵌入到另一套网格当中,各个子域网格存在重叠㊁嵌套或覆盖关系,流场信息通过插值的手段在重叠区域边界进行交换和匹配㊂在运动域网格方法中,整个流体计算域被处理为一个运动的整体㊂图2为船舶运动过程中,重叠网格以及运动域网格示意图㊂可以发现,三体船航速较高时,纵向运动响应幅值较大导致自由液面网格变形,导致数值计算精度下降㊂图2㊀重叠网格及运动域网格示意Fig.2㊀Overset mesh and motion region mesh scene㊃53㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第42卷重叠网格重叠域的尺寸设置为:船前0.15倍船长,船侧㊁船后及水线以上和水线以下分别为0.2倍船长㊂为了能够精确捕捉自由液面,在自由液面处进行了网格加密㊂对于不同波长下三体船波浪增阻及运动的数值计算,计算域的网格划分也有所不同㊂对于较短波长,对自由液面以及船体周围进行网格加密㊂图3和图4所示是当傅汝德数Fr 为0.353时,波长船长比λ/L =0.50和λ/L =1.60时自由面的网格示意图㊂在整个波长范围内的数值计算当中,保证单位波长下70~100个网格,单位波高下14~20个网格㊂图3㊀自由面网格划分示意图Fig.3㊀Mesh scene for the free surface2㊀船模水池试验2.1㊀三体船模型参数三体船模型的主尺度参数如表1所示㊂其模型示意图如图4所示㊂表1㊀三体船模型主尺度参数Table 1㊀Principle dimension of trimaran参数设计水线长/m 型宽/m 设计吃水/m 总排水量/kg 中体 3.00.240.122侧体1.0710.0510.04345.99图4㊀三体船模型示意Fig.4㊀Geometry scene for trimaran2.2㊀波浪参数及船模试验工况三体船船模水池试验在哈尔滨工程大学拖曳水池中进行㊂本文对三体船静水阻力以及在迎浪规则波中航行总阻力以及纵向运动响应进行了数值计算及模型试验,三体船傅汝德数(Fr =v /gL )为0.353和0.628,在波长船长比(λ/L )从0.50~2.25取10个波长㊂不同傅汝德数船模水池试验使用的波浪参数见表2和表3,为了准确与船模水池试验结果进行对比研究,本文中数值计算使用的波浪参数与船模水池试验完全相同㊂表2㊀波浪参数(Fr =0.628)Table 2㊀Wave parameters (Fr =0.628)序号波长船长比λ/L波长/m 波幅/mm C 1静水 C 100.50 1.5015C 110.75 2.2522.5C 120.88 2.6425C 13 1.00 3.0030C 14 1.25 3.7530C 15 1.38 4.1430C 16 1.60 4.8040C 17 1.75 5.2540C 18 2.00 6.0050C 19 2.256.7550表3㊀波浪参数(Fr =0.353)Table 3㊀Wave parameters (Fr =0.353)序号波长船长比λ/L波长/m 波幅/mm C 2静水 C 200.50 1.5015C 210.61 1.8322.5C 220.75 2.2522.5C 230.88 2.6425C 24 1.09 3.2730C 25 1.25 3.7530C 26 1.38 4.1430C 27 1.60 4.8040C 28 1.80 5.4040C 29 2.256.7550㊃63㊃第1期李昂,等:三体船波浪增阻与纵向运动数值模拟及试验研究3㊀数值计算和船模试验结果分析3.1㊀三体船静水阻力为了研究不同网格划分方法对三体船迎浪规则波中波浪增阻及纵向运动响应的影响,本文首先使用重叠网格方法和运动域网格方法对三体船静水阻力进行了数值计算,得到三体船不同航速下法静水阻力计算结果㊂静水阻力数值计算结果同模型试验结果对比见表4和表5㊂表4㊀三体船静水阻力(Fr =0.628)Table 4㊀Resistance of trimaran in calm water (Fr =0.628)计算结果EFD 重叠网格方法CFD 运动域网格方法CFD Fr 0.6280.6280.628网格数 1.60ˑ106 1.25ˑ106阻力/N36.8436.5036.31Error =CFD -EFDEFD/%0.921.44表5㊀三体船静水阻力(Fr =0.353)Table 5㊀Resistance of trimaran in calm water (Fr =0.353)计算结果EFD 重叠网格方法CFD 运动域网格方法CFD Fr 0.3530.3530.353网格数 1.48ˑ106 1.10ˑ106阻力/N14.6614.4514.36Error =CFD-EFDEFD/%1.432.05㊀㊀表4所示是使用重叠网格方法和运动域网格方法得到的三体船傅汝德数0.628航速下静水阻力数值计算结果和模型试验结果㊂表5所示的是使用重叠网格方法和运动域网格方法数值计算得到的三体船傅汝德数0.353航速下静水阻力结果和模型试验结果㊂有研究表明,船体表面边界第1层网格的无量纲厚度y +值取100可取得较为理想的计算结果[14]㊂图5所示的是本文研究中三体船船体表面边界第1层网格的无量纲厚度y +沿主㊁侧体的分布图㊂整个三体船船体表面边界第1层网格的无量纲厚度y +值在60~140㊂图5㊀船体表面y +分布Fig.5㊀y +distribution on the hull surface经过分析比较不同傅汝德数下三体船静水阻力数值计算结果与试验结果,重叠网格以及运动域网格方法都可以较为准确地计算三体船不同傅汝德数下的静水阻力㊂使用重叠网格方法得到的三体船静水阻力计算结果在不同傅汝德数相比于运动域网格方法与模型试验结果误差更小㊂3.2㊀数值造波及三体船波浪增阻与纵向运动为了得到三体船的波浪增阻及纵向运动响应,并探讨不同网格划分方法对数值计算结果的影响㊂本文使用重叠网格方法和运动域网格方法数值计算了三体船在不同航速下迎浪规则波中的运动响应以及总阻力㊂通过计算不同波浪参数条件下三体船的总阻力与静水阻力的差值,得到三体船在迎浪规则波中运动时的波浪增阻㊂为了验证数值计算域中所造波浪的精度,在三体船船前0.5倍水线长处设置波高监测点[15],图6所示的是波长船长比λ/L =1.38时,波高监测点数值计算得到的波浪幅值时历曲线㊂经过傅里叶级数表达得到的一阶波浪幅值为0.0284m,与理论波幅的误差为5.33%㊂图6㊀波高检测点波幅时历曲线Fig.6㊀Time history of wave elevation at the wave probe使用重叠网格方法以及运动域网格方法数值计算得到的三体船不同航速下升沉㊁纵摇运动响应曲线以及波浪增阻计算结果与模型试验结果如图7~图12所示㊂图7㊀较低航速三体船升沉运动响应曲线(Fr =0.353)Fig.7㊀Heave motion of the trimaran with lower speed(Fr =0.353)㊃73㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第42卷图8㊀较低航速三体船纵摇运动响应曲线(Fr =0.353)Fig.8㊀Pitch motion of the trimaran with lower speed(Fr =0.353)图9㊀较低航速三体船波浪增阻曲线(Fr =0.353)Fig.9㊀Added resistance of the trimaran with lower speed(Fr =0.353)图10㊀高速三体船升沉运动响应曲线(Fr =0.628)Fig.10㊀Heave motion of the high-speed trimaran (Fr =0.628)图11㊀高速三体船纵摇运动响应曲线(Fr =0.628)Fig.11㊀Pitch motion of the high-speed trimaran (Fr =0.628)图12㊀高速三体船波浪增阻曲线(Fr =0.628)Fig.12㊀Added resistance of the high-speed trimaran (Fr =0.628)㊀㊀图7~12分别表示三体船在迎浪规则波中数值计算和模型试验的升沉㊁纵摇运动响应以及波浪增阻曲线㊂三体船迎浪规则波中升沉㊁纵摇运动响应的无因次化公式表示为:TF 3=Z a ζa(4)TF 5=φa kζa(5)式中:Z a 表示升沉运动响应幅值;φa 表示纵摇运动响应幅值;ζa 表示规则波波幅;k 表示波数㊂通过三体船在迎浪规则波中的总阻力减去三体船在静水中的阻力,得到三体船在波浪中的增阻㊂波浪增阻的计算公式及其无因次化公式为:R aw =R aw -R calm (6)C aw =R awρgζ2a B 2/L pp(7)式中:R aw 表示三体船在波浪中的总阻力的平均值;R calm 表示三体船在静水中的总阻力;C aw 为波浪增阻系数;ρ表示水密度;g 表示重力加速度;B 表示三体船型宽;L pp 表示三体船水线长㊂图7~9表示的是傅汝德数为0.353时迎浪规则波中升沉㊁纵摇运动响应及波浪增阻㊂数值计算结果与船模试验结果对比可见,使用重叠网格方法与运动域网格方法得到的三体船升沉㊁纵摇运动响应以及波浪增阻与船模水池试验结果有相同的变化趋势;使用运动域网格计算方法并没有捕捉到在波长船长比λ/L =0.61附近出现的小峰值点;使用运动域网格计算方法得到的纵向运动响应幅值以及波浪增阻相比于重叠网格计算方法得到的纵向运动响应幅值及波浪增阻较小,重叠网格方法数值计算结果误差更小㊂图10~12是傅汝德数为0.628时迎浪规则波中的升沉㊁纵摇运动响应及波浪增阻㊂由数值计算结果与船模试验结果对比可见,使用重叠网格方法㊃83㊃第1期李昂,等:三体船波浪增阻与纵向运动数值模拟及试验研究与运动域网格方法数值计算得到的三体船升沉㊁纵摇运动响应以及波浪增阻与船模水池试验结果有着相同的变化趋势,在运动幅值出现的波长船长比(λ/L =1.60)附近的共振区内,由于三体船纵向运动响应幅值较大,运动域网格计算方法中自由面网格的变形较大,数值计算误差相对较大㊂得到的升沉㊁纵摇运动响应幅值相比于重叠网格计算方法较小,使用重叠网格计算方法得到的数值计算结果误差更小㊂从三体船波浪增阻曲线来看,在整个波长范围内,使用运动域网格计算方法得到的波浪增阻误差较大㊂综上,重叠网格方法更适于计算高航速三体船纵向运动响应及波浪增阻㊂因此,后续探讨波陡对三体船波浪增阻及纵向运动的影响时,均采用重叠网格计算方法㊂3.3㊀波陡对三体船波浪增阻及纵向运动的影响本文对λ/L =0.50和λ/L =1.60波长㊁傅汝德数0.353和0.628,研究了三体船波浪增阻和纵向运动与波陡(H /λ)的关系,具体波浪参数见表6和表7㊂数值计算得到的不同航速㊁不同波长下三体船波浪增阻及纵向运动响应曲线以及波陡对三体船波浪增阻及纵向运动影响见图13~18㊂表6㊀波浪参数(λ/L =0.50)Table 6㊀Wave parameters (λ/L =0.50)航速/Fr 波长船长比λ/L波高/m波陡ζa /m 0.3530.6280.500.03001/500.03751/400.05001/300.06001/25表7㊀波浪参数(λ/L =1.60)Table 7㊀Wave parameters (λ/L =1.60)航速/Fr 波长船长比λ/L波高/m 波陡ζa /m 0.3530.6281.600.0401/1200.0481/1000.0601/800.0801/600.0901/53.3图13㊀小波长不同波陡升沉运动响应曲线Fig.13㊀Heave motion of the trmaran in varying wavesteepness with small wavelength (λ/L =0.50)图14㊀小波长不同波陡三体船纵摇运动Fig.14㊀Pitch motion of the trimaran in varying wavesteepness with smallwavelength图15㊀小波长不同波陡三体船波浪增阻曲线Fig.15㊀Added resistance of the trimaran in varying wavesteepness with smallwavelength图16㊀大波长不同波陡升沉运动响应曲线Fig.16㊀Curves of heave motion response with varyingwave steepness in large wavelength㊀㊀图13~15表示的是傅汝德数为0.353和0.628下短波λ/L =0.50中三体船升沉㊁纵摇运动响应以及波浪增阻随波陡变化的数值计算结果㊂由图13可得,三体船在较低航速升沉运动响应随波陡的增加变化不大,较高航速升沉运动响应结果随波陡的增加而增加,表现出高航速下的非线性;图14表示在不同航速下,三体船纵摇运动响应随波陡增加的变化不大,有减小的趋势㊂高航速三体船在短波λ/L =0.50中波陡变化并没有对纵摇运动产生强烈的非线性影响;由图15可见,高航速时,三体船的波㊃93㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第42卷浪增阻系数较大,随着波陡的增加,波浪增阻系数在不同航速下都有减小的趋势,表现出明显的非线性特征㊂图17㊀大波长不同波陡纵摇运动响应曲线Fig.17㊀Curves of pitch motion response with varying wavesteepness in largewavelength图18㊀大波长不同波陡波浪增阻曲线Fig.18㊀Curves of added resistance with varying wavesteepness in large wavelength图16~18表示的是傅汝德数为0.353和0.628航速下得到的在长波λ/L =1.60中三体船升沉㊁纵摇运动响应以及波浪增阻随波陡变化的数值计算结果㊂图16表示三体船在较低航速,升沉运动响应随波陡的增加有减小的趋势,相比于短波λ/L =0.50非线性增强,对于较高航速,升沉运动响应结果随波陡的增加而增加,表现出高航速下的非线性,并相对于短波λ/L =0.50非线性更加明显;图17表示三体船在较低航速,纵摇运动响应结果随波陡的增加有减小的趋势,同短波λ/L =0.50类似,非线性特征并不明显;对于较高航速时,纵摇运动响应随着波陡的增加有明显的减小,表现出强烈的非线性特征;图18表示高航速时,三体船的波浪增阻系数较大,随着波陡的增加,波浪增阻系数在不同航速下均有减小的趋势,表现出较强的非线性,相比于短波λ/L =0.50,非线性特征更加明显㊂4㊀结论1)重叠网格数值计算方法更适用于计算三体船高航速时迎浪规则波中的增阻及运动;2)三体船在高航速时波浪增阻及纵向运动的非线性特征明显;3)波陡变化带来的非线性影响在长波波浪条件下更加明显㊂参考文献:[1]STORM-TEJSEN J,YEH H Y H,MORAN D D.Addedresistance in waves [J].Soc nav archit mar eng trans,1973,81:250-279.[2]FUJII H,TAKAHASHI T.Experimental study on the re-sistance increase of a ship in regular oblique waves[C]//Proceedings of 14th International Towing Tank Conference.Ottawa,1975:4.[3]JOURNEE J M J.Experiments and calculations on fourWigley hull forms[R].Delft:Delft University of Technolo-gy,1992.[4]SADAT-HOSSEINI H,WU Pingchen,CARRICA P M,etal.CFD verification and validation of added resistance and motions of KVLCC2with fixed and free surge in short and long head waves[J].Ocean engineering,2013,59:240-273.[5]GERRITSMA J,BEUKELMAN W.Analysis of the resist-ance increase in waves of a fast cargo ship[J].Internation-al shipbuilding progress,1972,19(217):285-293.[6]FALTINSEN O M,MINSAAS K,LIAPIS N,et al.Predic-tion of resistance and propulsion of a ship in a seaway 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Chengsheng,ZHOU Decai,LAN Bo,et al.CFD computation of ship motions and added resistance for a high speed trimaran in regular heading waves[J].Ship-building of China,2010,51(4):1-10. 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高速三体无人船气动阻力仿真计算

科技论坛高速无人船在航行时，航速可达到８０节，航速６０节时气动阻力已经约占总阻力的１０％，８０节时无人船的气动阻力已经占总阻力的２０％以上。

即便在相对低一些的航速下，由于海上存在大风浪天气现象，在此天气条件下航行时，无人船与海风之间仍然能够达到较大的相对速度，因此在进行高速三体无人船阻力性能研究时，不仅要考虑水阻力的影响，还应该考虑高速无人船航行时的气动阻力。

为研究高速三体无人船的气动阻力性能，本文利用ＣＦＤ数值模拟计算无人船的气动阻力性能，并通过风洞实验对ＣＦＤ方法的仿真结果进行对比验证，旨在对于工程实际应用提供参考借鉴。

本文研究的高速无人船是一种三体滑行艇，主体纵向设至两个断级，片体内侧光滑，外侧设有折边。

高速三体无人船的三维模型由ＣＡＴＩＡ进行建模。

（图１）１风洞实验在进行风洞实验时，需要考虑模型与实船的相似，然而保证完全相似过于困难，在实际研究中会进行简化。

本文所研究的无人船航速远远低于声速，故可以认为气体是不可压缩的。

参考空气的动力相似准则，忽略重力、热传导，假设流动定常。

故无人船仅需保持几何相似和雷诺数相似。

本文进行的风洞实验是在哈尔滨工业大学大气边界层风洞进行，该风洞的大试验段风速为连续可调的３－３０ｍ／ｓ，小试验段风速为连续可调的３－５０ｍ／ｓ，速度不均匀性小于０．０１，湍流度小于０．００４６，平均气流偏角小于０．５度。

模型总长１．１３１ｍ，模型最大宽度０．８０６ｍ，模型最大高度０．４０３ｍ，重心位置原点距原船尾０．４０３ｍ，使用六分力天平测量。

试验风速从１０ｍ／ｓ逐渐增加到２５ｍ／ｓ，共记录１０，１３，１６，１９，２２，２５ｍ／ｓ六个工况，每次工况记录三组数据，每次记录持续３０秒，每秒记录１０００个数据。

表１的试验阻力为风洞试验的阻力均值。

２数值模拟计算域设置：使用的ＣＦＤ仿真软件是ｓｔａｒ－ｃｃｍ＋。

由于无人船自主航行的能耗最优路径规划中需要考虑多个来流方向的气动阻力性能，为便于工程参考，需要计算多个角度的气动影响。

基于CFD的船舶阻力性能综合研究

基于CFD的船舶阻力性能综合研究船舶阻力是描述船舶在行驶时所受到的阻碍力量，它对船舶的性能和能耗具有重要影响。

基于计算流体力学（CFD）的船舶阻力性能综合研究，可以通过数值模拟和分析方法，探索船舶阻力的形成机理、降低阻力的方法以及相关性能指标的优化。

首先，基于CFD的船舶阻力性能综合研究可以通过数值模拟计算流场，分析船体与流体之间的相互作用。

通过模拟不同船型、尺寸和运行工况下的流场情况，可以获得船舶阻力的大小和分布情况。

同时，还可以探究不同因素对船舶阻力的影响，如船舶速度、推进器结构、流体粘度等，以及船体表面状况对阻力的影响。

其次，基于CFD的船舶阻力性能综合研究可以通过减小船体的阻力来提升船舶的性能。

通过数值模拟优化船舶的造型，可以减小船体表面的阻力，如减小局部细节和凹凸部分，提高船体的光滑性。

此外，研究船舶的船型参数，如船长、船宽和吃水深度等，以及船体的水动力性能，如气动、流线型设计等，也是优化船舶阻力的关键因素。

最后，基于CFD的船舶阻力性能综合研究可以通过优化相关性能指标来提升船舶的能耗效率。

通过模拟不同航行工况下的能耗情况，可以评估船舶的能源利用效率，如推进功率、燃料消耗和排放等。

在研究船舶的能耗性能时，可以考虑不同的推进器类型、推进器布局和动力系统等因素，以及船舶的运行工况和航行路径等因素，以寻求最佳的船舶运行模式。

综上所述，基于CFD的船舶阻力性能综合研究可以通过数值模拟和分析方法，深入探索船舶阻力的形成机理、降低阻力的方法以及相关性能指标的优化。

这不仅可以提升船舶的性能和能耗效率，还可以为船舶设计和运营提供科学的依据和指导。

高速三体船片体构型数学表达和兴波阻力计算

高速三体船片体构型数学表达和兴波阻力计算卢晓平;王鹏;詹金林【摘要】High speed trimarans,with their excellent performance in drag reduction,sea-keeping and sta⁃bility,have wide application outlook in both military and civil markets. Despite the fact that high speed tri⁃marans have already been widely applied globally,their wave-making resistance forecast,a key factor in the design process,have not been so rigorously investigated. This paper employs the tent function to design the demihull structure of high speed trimarans,through which a variety of ship form parameters are calcu⁃lated. Moreover,the improved linear wave-making resistance calculation algorithm is adopted,and the ob⁃tained results for high speed trimarans are compared with model test results,which validate the proposed method in the preliminary design stage.% 高速三体船以其优良的减阻性能、耐波性和稳性而具有广阔的军事和商业应用价值。

波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析

波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析曹阳;朱仁传;蒋银;洪亮【摘要】为研究肥大型船舶在波浪中的运动与增阻问题,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)理论建立了数值波浪水池,并结合重叠网格方法对KVLCC2迎浪航行进行了模拟研究.文中计算了Fn=0.142时KVL-CC2船模在不同频率遭遇波作用下的运动和阻力,采用傅里叶级数展开法分析获得垂荡、纵摇运动响应和阻力值,将船模在波浪中航行受到的阻力减去静水航行阻力,获得了不同频率下的阻力增加值,将运动与阻力增加值与相关实验结果比较,吻合良好.通过对Fn=0.142时KVLCC2在波浪增阻成分进行的分析,与相关势流理论计算结果及实验结果对比,研究表明:短波增阻主要由船体绕射贡献,同时表明CFD方法计算船舶在波浪上的运动和增阻的可靠性.%The motions of KVLCC2 advancing at Fn=0.142 in head waves have been simulated by implementing a numerical wave tank and an overset mesh method based on computational fluid dynamics (CFD) to study the mo-tions and added resistance of a ship possessing a big block coefficient in waves.The numerical results of heave, pitch, and resistance were analyzed using the Fourier series, and the added resistance due to waves was determined by the resistance of the ship to the waves after subtracting the resistance of the ship in unperturbed water.The re-sults of the computation and the related model test of the added wave resistance were inagreement.Furthermore, the components of added resistance due to different causes were investigated and the results that were calculated u-sing CFD were compared to the results calculated by the strip method andthe model test.This indicates that the added resistance of the ship to short-waves was mainly induced by ship diffraction.Further, CFD can be used to accurately calculate the ship motion and the added wave resistance.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2017(038)012【总页数】8页(P1828-1835)【关键词】重叠网格;KVLCC2;傅里叶级数;垂荡运动;纵摇运动;波浪增阻;CFD方法;数值波浪水池【作者】曹阳;朱仁传;蒋银;洪亮【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.1船舶在波浪上的运动与阻力增加一直是船舶与海洋工程领域研究的热点，准确预报船舶在波浪上的运动是船舶在水上航行、作业安全性和舒适性的基础，船舶波浪增阻在船型优化乃至航线优化问题中是经济性的重要参数指标。

气泡高速艇波浪中阻力及运动性能数值研究

气泡高速艇波浪中阻力及运动性能数值研究欧勇鹏;周广礼;吴浩【摘要】为探索气泡高速艇在波浪中的减阻效果及运动性能,基于RANS方法,应用Overset网格技术、数值造波、HRIC-VOF方法及6-DOF运动模型构建气泡高速艇静水及波浪中的数值水池,阻力计算与试验值的偏差小于4.59％,纵向运动计算值与试验值偏差小于6.4％.进而分析了气层对B.H.型高速艇波浪中阻力、纵向运动的影响规律,研究了艇体运动对气层面积与形态的影响规律,获得了波浪中气层-艇体相互作用的力学过程;气层对垂荡的影响甚微,对纵摇有改善效果;顶浪条件下纵向运动对气层面积的影响不大,波浪中的减阻率仍可达27.24％～30.62％.%To determine the resistance reduction rate of air cavity and its effect on hull motion performance in waves, an RANS-method-based numerical towing tank was established using an Overset mesh, numerical wave, HRIC-VOF scheme, and 6-DOF motion model.The difference in the resistance error obtained between the numeri-cal and experimental results was less than 4.59％, and the error of longitudinal motion was 6.4％.Furthermore, the effects of air cavity on the resistance and longitudinal motions of B.H.type hull in waves were investigated, and the effects of hull motion on the air cavity area and shapes were simultaneously studied.The mechanics interac-tion laws between air cavity and hull bottom were obtained.The effect of air cavity on heave was negligible;howev-er, it improved slightly on pitch.In head waves, longitudinal motion slightly affected air cavity area, and the re-sistance reduction rate by air layer in waves was up to 27.24％～30.62％.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2017(038)012【总页数】9页(P1849-1857)【关键词】气泡高速艇;纵向运动;气层稳定性;数值波浪水池;气层形态;气层面积;减阻率【作者】欧勇鹏;周广礼;吴浩【作者单位】海军工程大学舰船工程系,湖北武汉430033;海军工程大学舰船工程系,湖北武汉430033;海军工程大学舰船工程系,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】U661.32目前，船舶气层减阻技术已在俄罗斯、乌克兰、日本、荷兰等国家获得了广泛应用，取得了显著的军事经济效益[1]。

三体船阻力数值计算及方案优选

三体船阻力数值计算及方案优选孙荣;吴晓光;姜治芳;吴启锐;卢晓晖【摘要】采用CFD技术模拟了船池试验三体船型在不同速度下的粘性流场,计算中考虑了自由表面效应影响,数值模拟结果与试验结果进行了比较,然后在此基础上计算了侧体对应于不同纵横向位置时的9种三体船方案的总阻力.分析比较各方案的计算结果后,得出三体船阻力性能较优时侧体布局的一般规律,即侧体纵向位置变化对三体船静水阻力性能影响较大,当侧体横向位置不变,在较高速度时侧体纵向向后布置对阻力性能更有利.最后按阻力性能,从9种计算方案中得出优选方案.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2008(003)005【总页数】4页(P21-24)【关键词】三体船;粘性流场;自由表面;数值模拟;CFD【作者】孙荣;吴晓光;姜治芳;吴启锐;卢晓晖【作者单位】中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064【正文语种】中文【中图分类】U661.311 引言三体船的形式多种多样，一般来说，典型的三体船水下部分由中间主体和对称布置于两侧的侧体共3个细长片体组成，中间主体长宽比大约在12～18之间，侧体长宽比一般大于20，主体排水量占总排水量的85%～95%。

由于三体船具有一系列突出的优点，因此无论在军用还是民用领域，世界各国都投入了大量研究[1,2]。

相关文献表明，侧体布置位置对三体船的阻力性能影响较大，在航行时主、侧体之间产生相互干扰，如果侧体位置适当，可以降低阻力。

结合三体船的阻力性能来研究侧体布局是三体船船型优化的重要内容之一。

在国内，三体船阻力计算方法多为基于线性兴波理论的理论计算，这种方法计算方便，但难以说明对船型的敏感度。

而随着CFD技术的发展，三维粘性流RANSE方法在多体新船型水动力性能方面的计算应用日趋增多，它能较精确地预报多体船阻力及求解其周围特别是尾部流场细节。

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５卷ｌ
第４期（总第１３期）９ Nhomakorabea中
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船
Ｖ１１ＮｏＳｒｌ．９）ｏ．５．ｅｉ１３４（ａＮｏ
Ｄｅ．００ｃ２１
２１００年ｌ月２
ＳＰＨＩＢＵＩＤＩＬＮＧＯＦＣＨＩＮＡ
文章编号：１０ —８２２１）４００．０００４８（０００．０１１
是瘦长的，从而在高速航行时大幅度降低了兴波阻力，容易获得较高的航速；并可通过调整片体间的相对位置，实现在较大的速度范围内，特别是高速段出现有利的兴波干扰。因而在兴波阻力占较大比例的高速段，以三体船为代表的多体船的总阻力会更小。
中图分类号：Ｕ６．６１３
文献标识码：Ａ
０引言
多体船是指利用间隔一定距离的三个或三个以上的瘦形船体，通过上部的强力构架连成一体的船舶。三体及三体以上的多体船主要特点之一是中高速阻力性能优于单体船和双体船。由于每个船体都
此外，多体船耐波性也要优于单体船。这是由于多体船横向比较宽，一方面提供了较宽的飞行甲板和总布置的空间，另一方面也提供了较大的横摇力臂，可减小多体船的横摇运动；瘦长的主船体和
位于偏舯后的侧片体，增加了多体船的纵摇惯性矩，起到减纵摇的作用；多体船也具有良好的垂荡运动性能；多体船在波浪中良好的运动性能，可使波浪增阻较小，从而可以实现波浪中的高速航行。
射波，使用位于波浪水池尾部的人工阻尼区消波。首先对规则波顶浪中单个主船体的运动和增阻进行了计算，并与高速细长体理论计算结果进行了比较；随后进行了三体船运动和增阻计算，分析了片体对主船体阻力侧
增加的影响。为高速三体船耐波性研究提供了数值工具。
关键词：船舶、舰船性能；高速三体船；运动；波浪增阻；ＣＤ计算Ｆ
本文基于数值波浪水池技术，研究了波浪中高速三体船环境波与船体波多种波系之间的干扰、主船体与侧片体之间的干扰、以及波系与船体之间相互作用，并对规则波顶浪中高速三体船运动及增阻
进行了ＣＤ计算，简要分析了侧片体对主船体运动和增阻的影响，为进行高速三体船耐波性研究提供Ｆ
ｄ
（）２
计算区域内的每个控制体积都由水和／空气充满，它们的体积分数之和应为１或，即：
近年来国内外对高速三体船的研究越来越重视。当代三体船的研究已有近３的历程，０年但直到９０
年代中期以后，高速三体船的研究才取得了较大发展，这期间国内外高速三体船的研究主要集中在水动力理论Ｌ、模型试验、船型优化【及概念设计方面，也有少量关于结构强度方面的研究；而英、美、ＪＪ２】
澳等国己从高速三体船的理论和模型试验研究，突破到三体船实船的建造、实船试航与性能评估阶段。
目前国内三体船研究虽已开展，但大多数以静水中阻力性能优化为目标，通过优化多体船水动力
布局从而减小兴波阻力，研究人员做了大量研究工作［，取得了一些有价值的研究成果。］三体船的高航速优势不仅表现在静水中，其波浪中的阻力和运动性能也是优良的。国内外高速多体船耐波性理论研究的文献还不多见，通常采用二维切片法、高速细长体理论、三维时域势流理论等
１１控制方程．
不可压缩流体流动的连续性方程为
Ｖ・＝０Ｖ（）１
式中为速度矢量。对于水面船自由面绕流问题这种两相流，水与空气的质量都应该是守恒的。由于流体的不可压缩性，可以用体积分数写为＋Ｉ．：Ｏ／ｖ，
收稿日期：２１—１７０００ — ；修改稿收稿日期：２１—２２００００．４
中
国
造
船
学术论文
方法Ｊ，而粘流理论和方法在三体船耐波性研究中的应用还很少，目前仅处于起步阶段。由于粘性对于主船体与侧片体之间的干扰、船体辐射波、各种波系与船体之间的相互作用等都有一定影响，因而粘流方法也是三体船耐波性研究的重要方向和手段。
高速三体船波浪中运动与增阻ＣＤ计算研究Ｆ
吴乘胜，周德才，兰波，高雷
（中国船舶科学研究中心，无锡２４８１０２）
摘
要
基于数值波浪水池技术，对波浪中高速三船运动及增阻进行ＣＤ计算研究。体Ｆ控制方程＿ＲＮ方程和Ａｓ
连续性方程使用有限体积法离散，非线性自由面采用ＶＯＦ方法处理；在入口边界模拟柔性造波板运动产生入
了数值工具。
１数学模型及控制方程
本文数值模型的基础是数值波浪水池，其中自由波面使用ＶＯ（ｏｕｆＦｕｄＦＶｌｍｅｏｌｉ，流体体积）方
法处理。基于ＲＡＮＳ方程的数值波浪水池数学模型的控制方程包括：连续性方程、体积分数方程、动量方程、湍流模型的后方程和方程，以及数值造波与消波。