静水中并行两船的水动力干扰效应数值研究

给过程中并行两船的耐波性。在理论研究方面， “—” 表示变量的时均值；fi 为单位质量力。 Tuck 等［10］、 Yeung［11］、 Davis 等［12］及 Xiang 等［13］基于 湍流模式为 RNG k -ε 模型： --细长体理论的匹配渐进展开法， 研究了开阔水域、 u i' u 'j k= （2） 狭窄水道中两船间的相互作用力， 并在研究中忽 2 ------' ' 略 了 流体粘性的影响。此外， Xiang 等［14-15］、 Yuan μ æ ¶u i ö æ ¶u i ö ε= ç （3） ÷ç ÷ 等［16-17］基 于 三 维 Rankine 源 法 研 究 了 波 浪 中 并 行 ρ è ¶x k ø è ¶x k ø 两船的水动力干扰问题； Zhou 等［18］采用势流理论 ε 为湍能耗散率；x 为沿平均 式中：k 为湍动能； 数值分析了限制水域船间水动力相互作用； 张谢东
k
等［19］、 陈波等［20］分别利用边界元法和 Green-Naghdi 方程研究了浅水中两船超越及会遇的相互作用 力； 许勇等［21-22］采用三维移动脉动源格林函数研 究了波浪中并行两船的水动力干扰问题， 建立了 相应的数值计算方法， 其计算值与试验值吻合度 较高； 周广礼等［23］研究了两船并行时漂角和相对 位置对水动力干扰的作用； 张 晨 曦 等［24］基 于 Fluent 和动网格技术研究了浅水中会遇船舶的相 互作用力； 徐华福等［25］基于高阶面元法对浅水中 两船会遇和追越时的两船水动力干扰进行了预 报。然而， 这些研究在采用势流方法计算时均忽 略了流体粘性的影响， 在采用粘性方法计算时均 忽略了航行兴波的贡献， 且对航行兴波在两船相 互干扰作用中的贡献也没有进行深入研究。 Navier-Stokes， RANS） 方程， 采用商用流体力学软 本 文 拟 基 于 雷 诺 平 均 N-S （Reynolds Average
静水中并行两船的水动力干扰效应数值研究
海军工程大学 舰船工程系， 湖北 武汉 430033
摘 要： ［目的］为研究近距并行两船的相互干扰效应对船舶操纵性的影响， ［方法］基于 RANS 方程对静水中
高智勇， 毕毅， 姚朝帮
并行两船的水动力干扰作用进行数值模拟， 分析两船在不同横向间距、 纵向间距和航速条件下阻力、 横向力、 纵 向力及摇艏力矩的变化规律， 并在此基础上进一步阐述各种干扰力成分在两船水动力干扰中的变化及贡献比 例。 ［结果］研究结果表明， 两船所受横向力在纵向间距为 0 （即中对中） 时最大， 表现为吸引力； 随着横向间距的 与驶离补给阵位时， 所受摇艏力矩使两船艏艉相互接近， 此时容易发生碰撞。在低速状态下可以忽略航行兴波 对两船相互干扰的影响， 而高速航行时则不容忽略。 ［结论］所得结果可为研究两船操纵运动时相互作用力数学 模型的构建奠定基础。 关键词 ： 两船并行； 水动力干扰； 静水； 兴波 中图分类号 ： U661.32
Department of Naval Architecture Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China Abstract： ［Objectives］ This paper researches the influence of hydrodynamic interaction between two parallel vehicles advancing in close proximity on maneuvering.［Methods］Based on an unsteady RANS approach，the hydrodynamic interaction between two parallel ship models advancing in calm water in close proximity is analyzed via numerical 3D simulations. The effects of transverse and longitudinal distances on hydrodynamic forces acting on the hull under distinct forward velocities are investigated. Meanwhile，the changes and contributions of various disturbance components in the hydrodynamic interactions of two parallel ships are discussed.［Results］ The results indicate that the lateral force reaches its peak when the longitudinal distance between the ships' centers is zero，with each ship drawing the other close. The effect of lateral interaction sees a downward trend with the lateral distance increases，with the maximum decrease of lateral force reaching 50% in the studied range. The longitudinal distance has a great effect on yaw moment，resulting in changes in value and direction. It is easier for two ships to collide when they are near or have just pulled away. The influence of wave-making on the hydrodynamic interaction between two hulls can be ignored at low speeds，while at high speeds it should be taken into account.［Conclusions］ The numerical results of this paper provide the basis for constructing a mathematical model of the interaction between two ships. Key words： two parallel ships； hydrodynamic interaction； calm water； wave-making
文献标志码： A DOI： 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.06.002
增加， 相互作用效应减弱， 横向作用力最大降幅达到 50% 以上。纵向间距对摇艏力矩的影响较大， 两船在进入
Numerical study of hydrodynamic interaction between two ships in calm water
2 C ε1 ε P k - C ε2 ρ ε - R ε （5） k k 2 式 （4） 和式 （5） 中 ：μ t = ρC μ k ， 为湍动粘性系数， ε 其中 C μ =0.084 5； 为常数；P k = μ t S 2 ， 为 σ k = 1.39 ，
第 12 卷 第 6 期 2017 年 12 月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal Ship Research 中 国 舰 of 船 研 究
Vol.12 No.6 Dec. 2017 第 12 卷
引用格式： 高智勇， 毕毅， 姚朝帮 . 静水中并行两船的水动力干扰效应数值研究 ［J］ . 中国舰船研究， 2017， 12 （6） ： 6-14. GAO Z Y， BI Y， YAO C B. Numerical study of hydrodynamic interaction between two ships in calm water ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2017， 12 （6） ： 6-14.
பைடு நூலகம்
毕毅 （通信作者） ， 男， 1963 年生， 副教授， 硕士生导师。研究方向： 船舶流体动力性能。
第6期
高智勇等： 静水中并行两船的水动力干扰效应数值研究
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引
言
力， 通过与试验结果的对比， 验证数值计算方法的 可靠性。并在此基础上， 进一步分析两船靠近、 并 行以及驶离时的相互作用力， 系统分析相互作用 力随横向和纵向间距的变化规律， 揭示两船近距 航行时的危险状态。
式中： （i， j， t 为时间；ρ 为流体密度；x i ，x j ，x l 为 l=1， 2， 3） 空间分量； ui ， uj ， u l 为速度分量；p 为 静压；μ 为流体粘度；δ ij 为任意两个正交坐标基 --矢 量 点 积 ；- ρ u i' u 'j 为 雷 诺 应 力 ， 其中上 划 线 符 号
收稿日期： 2017 - 04 - 25 网络出版时间： 2017-11-28 11:11
GAO Zhiyong， BI Yi， YAO Chaobang
基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （50879090， 5150256） ； 水动力重点基金资助项目 （9140A143071251311044） ； 航空科 作者简介： 高智勇， 男， 1992 年生， 硕士生。研究方向： 船舶流体动力性能。 学基金资助项目 （20152316005）
运动轨迹的空间分量。 湍流脉动动能方程 （ k 方程） 为：
¶ ( ρk ) + ¶ ( ρku ) = ¶ é( μ + μ t ) ¶k )ù + P - ρε（4） ú i k ¶t ¶x i ¶x j ê σ k ¶x j û ë
湍流能量耗散率方程 （ ε 方程） 为：
¶ ( ρε) + ¶ ( ρεu ) = ¶ é( μ + μ t ) ¶ε ù + ê ú i ¶t ¶x i ¶x j ë σ ε ¶ x jû
1
1.1
控制方程
船体粘性流场计算方程
RANS 方程是粘性流体运动学和动力学的控
制方程， 本文以此作为求解船体粘性兴波流场的 基本方程， 其具体形式为：
¶ ( ρu ) + ¶ ( ρu u ) = - ¶p + i i j ¶t ¶x j ¶x i -' ' ¶ éμ( ¶u i + ¶u j ) - 2 μ ¶u l δ ù + ¶ ( - ρ u ） ê ú i u j ) + ρ f i（1 ¶x j ë ¶x j ¶x i 3 ¶x l ijû ¶x j
航运业的发展使得港口、 航道内的船舶密度 有所增加， 故海上补给以及两船之间货物、 燃油的 输送作业也日益频繁。受间距限制， 两船并行航 行时其内侧流场会发生变化， 相互作用力不可忽 视， 严重时还会危及船舶的安全航行， 甚至发生事 故。根据我国 1990 年颁布的 《船舶交通事故统计 规则》 统计结果， 船舶碰撞在海难事故中占有较大 比例［1］。因此， 两船靠近时的相互作用力规律及 影响因素是国内外学者研究的热点。 两船间的相互作用力研究方法分为模型试验 和理论计算 2 种。基于模型试验方法， Newton［2］， Remery［3］， Dand［4］分别研究了深水两船追越、 狭窄 水道两船会遇与超越， 以及航行船舶与系泊船的 水动力影响。近年来， Vantorre 等［5-6］通过开展一 系列模型试验， 全面研究了复杂工况下两船的水 动力相互作用， 并提出了较为实用的两船相互作 用 力 估 算 公 式 。 Lataire 等［7-8］在 船 舶 过 驳 作 业 方 面开展了一系列模型试验。郑平宇等［9］研究了补