基于粘性流船舶数值波浪水池造波和消波方法研究
数值水池及其在船舶与海洋工程中的应用
数值水池及其在船舶与海洋工程中的应用
朱仁传;缪国平;向红贵;林兆伟
【期刊名称】《船舶与海洋工程》
【年(卷),期】2007(000)004
【摘要】船舶物理模型试验周期长,费用昂贵,外界干扰因素难以控制,测量技术也有待发展,而计算机模拟的数值波浪水池具有费用低、无触点流场测量、无比例尺效应、能消除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响,可获得较为详细的流场信息等优点.本文报道了作者在Fluent软件平台的基础上,经过二次开发,在所建立的数值水池中对船舶快速性、船舶与海洋结构物耐波性能等的研究进展.研究表明,数值水池可准确计算模型尺度下的高速船舶的阻力,可准确地模拟再现船舶与海洋结构物周围的自由面波形,计算预报波浪中实尺度船舶与海洋结构物的受力和运动,以及高海情下结构物所受到的冲击力等.
【总页数】3页(P21-23)
【作者】朱仁传;缪国平;向红贵;林兆伟
【作者单位】上海交通大学,上海,200030;上海交通大学,上海,200030;上海交通大学,上海,200030;上海交通大学,上海,200030
【正文语种】中文
【中图分类】U661.1
【相关文献】
1.黏性数值波浪水池研究与应用 [J], 王云莉;向美焘;孙国栋
2.出水池长度设计中的新思考—紊动射流原理在出水池设计中的应用 [J], 冉新民
3.三维数值波浪水池在海上导管架平台上的应用 [J], 王雅杰;周国强;王维刚;刘爱洋
4.基于神经网络的数值预测技术在船舶与海洋工程中的应用研究 [J], 张火明;杨建民
5.船舶与海洋工程试验水池工艺设计 [J], 唐勇;徐剑;茅宝章
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
数值波浪水槽的造波及消波方法
ｓ ｗ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｇ － ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｗａ ｖ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｗｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｉ ｆ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｕ ｓ ｅ ｒ ｄ ｅ ｉ ｆ ｎ ｅ ｄ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ＵＤ Ｆ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ｕ ｉ ｄ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ｂ ｙ ｅ ｍｐ ｌ ｏ ｙ ｉ ｎ ｇ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｍｅ ｓ ｈ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗ ａ ｖ ｅ ｗ ａ ｓ ｅ ｌ ｉ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｓ ｅ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｏ ｒ ｏ ｕ ｓ ｍｅ ｄ ｉ ａ ａ ｒ ｅ ａ ａ ｎ ｄ ａ ｄ ｄ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｍｅ ｎ ｔ ｕ ｍ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍ ｏ ｆ ｖ ｉ ｓ ｃ ｏ ｕ ｓ ｄ ｒ ａ ｇ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ＶＯ Ｆ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｗａ ｓ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ｔ ｏ
Ｌ Ｉ Ｈｕ ｉ ， ， ＨＥ Ｈｏ ｎ ｇ ． ｚ ｈ ｏ ｕ ， ， ＹＡＮＧ Ｓ ｈａ ｏ ． ｈｕ ｉ ， 。 ，
（ １ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｊ ｉ ｍ ｅ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｘ ｉ ａ ｍｅ ｎ ３ ６ １ ０ ２ １ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
第２ Ｏ卷
第 ６期
集 关大学学报 （ 自然科 学版 ）
波浪增阻预报的研究现状与未来展望
2023年·第3期·总第204期波浪增阻预报的研究现状与未来展望刘树魁（南洋理工大学 机械与宇航工程学院 新加坡 ６３９７９８）摘 要：…随着国际海事组织减少温室气体排放战略的稳步推进，波浪增阻预报成为近十多年来的热点研究课题之一。
作为二阶波浪力，其成因既与船舶本身特征相关，又与其营运状态和海洋环境相关。
由于存在各种限制，对其进行精确测定和数值预报均十分困难。
该文阐述了各种波浪增阻预报方法的研究现状，包括实验方法、基于势流理论的方法、基于求解黏性方程的方法、半经验方法和数据驱动方法等，回顾和评述了各种方法的发展历程并展望了未来发展趋势；此外，基于半经验公式，文中展示了新型船舶各航速与各海况下的平均波浪增阻等值线图，该图表便于工程实践应用；最后，在充分讨论的基础上，提出了未来研究工作需重点关注的方向。
关键词：波浪增阻；船舶耐波性；半经验公式；绕射效应；数值实验；绿色航运中图分类号：U661.73………文献标志码：A………DOI ：10.19423/ki.31-1561/u.2023.03.001State-of-the-Art in Predicting the Added Resistance ofShip Advancing in WavesLIU Shukui(School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University,Singapore 639798, Singapore)Abstract: Along with the advancement of the International Maritime Organization’s strategy on reducing greenhouse gas emissions, the prediction of added resistance in waves has become a hot issue during the last decade. As a second-order wave force, the mechanism of added resistance in waves is not only related to the characteristics of the ship itself, but also to its operating conditions and marine environment. However, the experimental determination and numerical prediction of the added resistance in waves have remained a challenge due to various technical constraints. This study briefly presents the state-of-the-art of various methods for the prediction of the added resistance in waves by reviewing and commenting the development of various methods, such as experimental methods, potential flow methods, viscous flow methods, semi-empirical methods and data-driven methods. In addition, based on a newly developed semi-empirical formula, a new type of contour diagram of the average added resistance for a ship sailing at various speeds under various sea states is presented to facilitate engineering applications. Finally, the prime concern of the future research is proposed based on thorough discussion.Keywords:…added resistance in waves; seakeeping; semi-empirical formula; wave diffraction effect; numerical experiment; green shipping收稿日期：2022-12-13；修回日期：2023-01-06作者简介：刘树魁（1982-），男，博士，讲师。
数值造波技术发展现状及展望(邓绍云水利论文)
数值造波技术发展现状及展望邓绍云1，2，3（1. 新疆应用职业技术学院新疆奎屯833200；2.兵团七师水利水电与建筑规划设计研究院新疆奎屯833200；3.新疆北礓建筑规划设计研究院新疆奎屯833200）摘要：本文对近三十年国内外数值造波技术与方法进行了一番回顾，对这种数值造波方法技术的优缺点进行了详尽评述，对各种数值造波方法的原理进行了阐述，理顺了数值造波的整个发展过程，对数值造波的现状进行了较为准确的分析。
最后展望指出了数值造波的发展趋势和方向。
关键词：数值模拟；造波技术；现状；展望Current Situation and Prospects of Development for Numericalwave technologyDENG Shao-yun(1.Xinjiang Applica and V ocational and Technical College Xinjiang Kuitun 833200；2.) Corps seven division Water Conservancy and Hydropower Planning and Design and Architecture Institute Xinjiang Kuitun 833200；3. Xinjiang North Shajiang Architectural Planning and Design Institute Xinjiang Kuitun 833200）Abstract:In this paper, nearly three decades abroad numerical wave techniques and methods for a lot of review of the advantages and disadvantages of this method of numerical wave technology for a detailed comments on the principles of various numerical wave methods are described, the rationale numerical wave along the entire development process, the status of the numerical wave were more accurate analysis. Looking pointed out the value of the last wave of trends and directions. Keywords: numerical simulation; wave technology; current situation; prospects1. 引言波浪在水利工程建设中，无论是内河还是在海洋中，这个力学因素是一般水利工程不可避免的水力因素。
数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术
关 键
词 ：船舶、舰船工程；数值波浪水池； Ｆ Ｃ Ｄ；水动力系数；船舶运动 文献标识 码 ：Ａ
中图分 类号 ：Ｕ ６． ６ １ ７
１ 引 言
船舶水 动力系数 如船舶运 动时 的附加质量 与阻尼 系数 ，是 准确预报船 舶在波浪 中运 动的基 础 。有
很多船舶在波浪中运动性能预报的理论方法 ， 包括切片理论、细长体理论、三维频域理论及其各种改 进方法等等… 。这些方法基本上是基于线性势流理论建立起来的。但 由于线性势流理论的局限性 ，很 难考虑粘性和非线性的影响 ，如果不加修正 ， 船舶运动的预报精度较差。因此在工程应用上 ，一般采 用基 于实验 获得的经验 公式或 半经验 公式对运 动计算加 以修 正Ｌ，特别是横摇 运动 。 ２ Ｊ 目前获得船舶附加质量与阻尼的试验方法主要分为两种 ：一种是船舶摇摆的自由衰减试验 ，但试 验结果只能得到在共振频率处的船舶附加质量和阻尼 ，缺乏频率的相关性 ；另一种是船舶的强迫振荡 运动试验 ， 这虽能给出多个频率下的附加质量 、阻尼及水动力 ，但往往受到试验船模的限制 ，而且对
试验 的设备和测试系统要求较高，对此有许多学者仍在致力试验测试系统的研究 Ｊ √。 近年来 ，随着计算机技术和计算技术的飞速发展 ，计算流体力学 （ Ｆ 也有了长足的进步。基 Ｃ Ｄ） 于 Ｃ Ｄ理论的船舶水动力学方面的数值模拟， Ｆ 因为具有费用低、 无触点流场测量、 无比尺效应 、 能消 除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响、可获得较为详细的流场信息等优点而广受关
下部 为水 ，整个 流场 以连续 性方程 和 Ｎ— 程为控制 方程 ： ｓ方
－
ｔ 一—
Ｏ ＰＵ） （ ｉ
—
：
０
（ １ ，） ， ３ ２
基于抗数值衰减的短波数值模拟
基于抗数值衰减的短波数值模拟杨波;石爱国;吴明【摘要】数值衰减是构建船舶耐波性数值波浪水池中的常见问题,对于短波的数值模拟显得尤为突出.基于已有的数值波浪水池研究成果,分析了波浪数值模拟衰减问题的成因,得到了影响波浪数值衰减的主要因素为网格尺寸、网格长宽比、时间步长、离散格式及自由面重构方法.在此基础上,定义了波浪数值衰减指数,采用边界造波法进行波浪生成,采用VOF法模拟自由面,通过系列仿真对比试验,得出了各影响因素与波浪数值衰减的量化关系,得到了波浪数值仿真的优化模式.采用此模式对3种短波进行数值模拟,模拟结果与理论解吻合良好.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2011(000)012【总页数】6页(P30-35)【关键词】波浪;CFD;数值模拟;衰减;船舶耐波性【作者】杨波;石爱国;吴明【作者单位】海军大连舰艇学院,辽宁大连116018;海军大连舰艇学院,辽宁大连116018;海军大连舰艇学院,辽宁大连116018【正文语种】中文【中图分类】U661.74基于计算流体力学（CFD）方法的船舶水动力性能计算，已经在船舶阻力及操纵性研究领域取得了丰硕的研究成果。
近年来，随着基于黏性流理论的波浪数值模拟方法日益成熟，船舶耐波性计算（耐波性CFD）逐步成为船舶CFD研究的热点问题，其与理论方法及实验方法一起，成为船舶耐波性研究的重要方法之一[1-5]。
当前的船舶耐波性CFD计算多集中于船舶耐波性水池试验的数值模拟研究，而数值波浪水池的建立是其中的基础性工作。
目前，基于黏性流理论的数值波浪水池已经可以精确地模拟二维、三维规则波及二维非规则波[6-10]，三维非规则波的模拟也达到了一定的精度[11]，但是对于波浪数值模拟中的衰减问题（简称波浪数值衰减）及短波（波长小于1 m）的数值模拟关注较少。
波浪数值衰减是指在波浪数值模拟中，波浪能量（主要由波高表示）在传播过程中产生的非物理性减小，是波浪数值模拟的常见问题之一；其在短波模拟中显得尤为突出，这也是短波数值模拟研究较少的重要原因。
数值波浪水槽的造波及消波方法
数值波浪水槽的造波及消波方法李晖;何宏舟;杨绍辉【摘要】In order to improve the efficiency of solving marine engineering related problems, and to pro⁃vide reference for the design of the physical wave generator, the FLUENT software was used to simulate the process of wave generation and absorption in a wave tank. In the simulation, the motion conditions of the swinging⁃plate wave generator were defined by the user defined function UDF and the fluid motion was realized by employing dynamic mesh technology. The reflection of the wave was eliminated by the method of setting porous media area and adding momentum source term of viscous drag force. The VOF method was utilized to simulate the free surface. The simulation results show that the swinging-plate wave generator proposed in this paper can be used to produce a stable linear wave in the numerical flume. The periodic error is small enough to meet the requirements of the simulation experiments. The wave absorption method of momentum source term with a viscous drag force in a porous media area is effective enough to eliminate the reflected wave from the end wall of the tank.%为了提高海洋工程相关问题的研究效率，并为物理造波机的设计提供参考，应用FLUENT软件模拟了数值波浪水槽的造波及消波过程。
基于fluent软件的海洋工程波浪水槽研究——造波方法及波浪监测
在波长都取10m的前提下，通过改变速度边界的波 长参数，分别制造出波高位0.4m，0.6m，0.8m的 二维数值波浪。具体情况见下表： 波长(m) 波高(m) 周期(s) 10 0.4 2.53 10 0.6 2.53 10 0.8 2.53
建模及网格的划分 水池模型长150m，高10m,水深5m。后10m为消波区。
研究内容与目标
推板造波是模拟物理边界的运动，根据势流理论，通过控 制推板的推程和周期来使数值水池中产生相应波高、波长 的数值波。
X 0 u(t ) cost 2
2 X 0 2 cosh kh sinh kh ( x, t ) cos(kx t ) kg(sinh 2kh 2kh)
实验过程 通过在UDF中设置推板运动的推程和周期可以控制波浪的波长与 波高。本实验中，分两组分别研究推板造波制造不同波长与波高的二 维数值波浪的质量。
波长变化 在波高都取0.6m的前提下，通过改变推板运动的推程和周期，分 别制造波长为6m、8m、10m的二维数值波浪。具体情况见下表： 波高(m) 周期(s) 推程（m) 0.6 0.6 0.6 1.96 2.26 2.53 0.237 0.268 0.291
研究内容与目标首先本文利用成熟的商业软件fluent使用vof方法通过求解navierstokes方程对当前数值造波技术中比较有代表性的推板造波方法和设置边界条件的造波方首先本文利用成熟的商业软件fluent使用vof方法通过求解navierstokes方程对当前数值造波技术中比较有代表性的推板造波方法和设置边界条件的造波方法在二维的模式下进行了较为系统的研究研究内容与目标并对三维模式下的数值造波技术进行了初步研究
研究内容与目标
首先，本文利用成熟的商业软件FLUENT， 使用VOF方法，通过求解Navier-Stokes方 程，对当前数值造波技术中比较有代表性 的推板造波方法和设置边界条件的造波方 法在二维的模式下进行了较为系统的研究
基于CFD软件的三维船体粘性流的数值模拟
决 游艇产 业人才 匮乏 的问题 。
３４创 造 一 切 机 其要 在产 品设 计和质 量上 面
做文章 ，用一丝 不苟 的态度 和一 流 的产品 品质赢得 国
头 顶 中 国 “ 艇 第 一 股 ” 光 环 的 珠 海 太 阳鸟 游 游 艇股 份有 限公 司２ １ 年９ ８ ０ ０ 月２ 日在创 业板 正式 挂牌 上
当然 ，解决 人才 瓶颈 问题 的根 本 ，还 在于立 足本
２ １年 中国游 艇 产 业 发 展 综述 报 告 【 ． 海： 海 交通 大 学 出版 社 ， ００ Ｍ］ 上 上
２ ０ ０１
土 “ 脑 ” ，构 建 游艇 产 业 专 业 人才 教 育和 培训 体 育 系 。特别 是专业 的技能 型人员 ，要加快 本土人 才 的培
豳 １ 三 维 买 体 模 型 图
网格 划 分就是 将 计算 区域 离散 化 。计算 网格 是流 动 控制 方程数 值离 散 的基 础 ，它在很 大程 度上决 定 了
本 文 的粘 性数 值模 拟 是应 用 商业 Ｃ Ｄ 件Ｆ Ｕ Ｎ Ｆ软 Ｌ Ｅ Ｔ，
流 场数值 解 的精度 ，网格 类型 以及 网格数 量对计 算结
在 ６ 内外消 费者 的信赖 。在 国外 ，通 过各种 销售渠 道 ，开 市， 发行 市 盈率 高 达９ 倍 的情况 下 首 日涨 幅仍 达 到 辟 欧 洲 、美 国和 亚 洲 等消 费 市 场 ，在 获 得 市 场关 注 １ ．８ ７３ ％。严格 意义 上讲 ， 艇业 受 到资本 市场 关注 ， 游 并 后 ，建立起 营销 网络 ，对 特定 的客户 群体进行 品牌营 不是 始 于太 阳鸟 的上 市 。在 去年 年 中， 以船舶 设 计为 销 ，逐步树 立在消 费者心 目中的形象 。 漫长的过程 ，短期 的资金投人或是广告只能风光一时 ， 因此 ，树立品牌 的道路还应该步步为营 ，持之以恒 。 ３３ 推行 内外并蓄 的人才政 策 ．
船舶在长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟
摘 要 ： 结合 已有 的耐 波性研究 成果 ， 在基于粘性流理论 ， 运用 Ｃ Ｆ Ｄ方法 成功构建长 峰不规则波数值 波浪水
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ａ ｔ ｓ ｈ ｉ ｐ ｓ ｌ ｏ ｎｇ ｉ ｔ ｕ ｄｉ ｎ ａ ｌ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ Ｉ ｏ ｎｇ － ｃ ｒ ｅ ｓ ｔ ｅ ｄ ｉ ｒ ｒ ｅ ｇ ｕｌ ａ ｒ ｗａ ｖ ｅ ｓ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｉ ｎ — ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｓ ｅ ａ ｋ ｅ ｅ ｐｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ
Ｌ Ｉ Ｕ Ｋｅ ， Ｗ Ｕ Ｍｉ ｎｇ ， ＹＡＮＧ Ｂｏ
（ １ ． Ｎｏ ． ９ １ ５ ５ ０ Ｕｎ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｐ Ｌ Ａ， Ｄａ ｌ ｉ ａ ｎ １ １ ６ ０ ２ ６， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ Ｎａ ｖ ａ ｌ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ， Ｄａ ｌ ｉ ａ ｎ １ １ ６ ０ １ ８， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
第３ ５卷 第 ７期
２ ０ １ ３年 ７ 月
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ １ ． ３ ５，Ｎｏ ． ７
ＳＨＩ Ｐ Ｓ ＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
基于VOF方法的造波、消波技术
基于VOF方法的造波、消波技术兰雅梅;郭文华;宋秋红;袁军亭【摘要】以N-S方程为控制方程,基于有限体积法,将入射波渡场作为人工的分布源项加入动量方程,提出了适用于VOF方法的源造波--消波段技术,可以有效地消除波浪遇结构物的反射波;在水槽末端布设消波段吸收入射波,允许在较小的计算域内提供任意的有效工作时间,提高了计算效率.对行波及驻波的计算,分别考察了前端及末端消波段的有效性.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2010(025)001【总页数】5页(P22-25,31)【关键词】VOF;源造波法;Fluent【作者】兰雅梅;郭文华;宋秋红;袁军亭【作者单位】上海海洋大学,上海,201306;上海河口海岸科学研究中心,上海,201201;上海河口海岸科学研究中心,上海,201201;上海海洋大学,上海,201306;上海海洋大学,上海,201306【正文语种】中文【中图分类】O352Abstract:Based on the finite volume method,the Navier-Stokes equations are used as the governing equations to develop a new module of the wave generating and absorbing function.The wave generating is introduced asthe man-made source terms into the momentum equations,which is suitable for the volume of fluid method(VOF).Within the numerical wave flume,the reflected waves from the construction could be absorbed effectively.The absorbing section arranged at the end of the wave flume to absorb the incident wave,which allows for random and effective working time within the reletively smaller computation domain.Consequently,the computation efficiency is greatly improved.Finally,the validity of the absorbing section arranged at the front and end of the wave flume is investigated individually.Key words:VOF;wave generating;Fluent过去的几十年里,随着计算机性能的不断提升,对数值水槽的研究取得了很大的进展。
数值水池的一种有效的数值消波方法
２ 基 本 方 程
Ｎｗ ｇ （ ９ ） 为 了 将 Ｂ ｕ ｓ ｅｑ方 程 推 广 到 较 深 的 水 体 ， 改 进 模 型 的 色 散 特 征 ， ｏ ｕ １ ３ ９ ｏ ｓ［ ｓ ｎ 并 提
Ｂ ｕ ｓｎ ｓ 方 程 推 广 到 深 水 ， 些 研 究 者 重 新 推 导 了 几 种 形 式 例 如 Ｍ ａ ｓｎ ａ ｄ Ｓ ｒｎ ｏ ｓｉｅｑ 一 ｄ ｅ ｎ Ｃｅ ￣ｎ （ ９ ２ 对 于 缓 变 地 形 重 新 导 出 了 新 的 Ｂ ｕ ｓ ｅｑ 方 程 。 Ｎｗｏ ｕ （ ９ ） 则 在 任 意 水 平 面 １９ ） ｏ ｓｉ ｓ ｎ 而 ｇ １ ３ ９ 导 出 了 速 度 形 式 的 Ｂ ｕ ｓ ｅ ｑ 方 程 用 线 迭 代 方 法 ． 者 发 展 了 一 种 有 效 的 预 报 校 正 方 法 ｏ ｓｉ ｓ ｎ 作
詹杰 民 等 ： 值 水池 的一种 有 效 的数 值 消 渡方 法 数
４ ７
解 成 等 效 的 和 Ｙ方 向 两 个 一 维 方 程 ． 后 利 用 一 维 海 绵 边 界 条 件 分 别 进 行 消 波 。 值 试 验 然 数 表 明 ， 文 提 出 的 二 维 消 波 方 法 是 相 当有 效 的 。 于 本 文 的 方 法 能 够 很 容 易 推 广 到 高 阶 或 完 全 本 由 非 线 性 方 程 （ ｅ，ｅ ａ． ９ ５ 和 Ｚ ｕ ９ ９ ） 因此 本 文 解 决 了 在 数 值 模 拟 波 动 问 题 的 Ｗ ｉ ｔ １ ，１ ９ Ｄ］ ０ ｏ ．１ ９ ，
文献 标 识 码 ： Ａ
验 结 果相 当吻 台 。本 文 的方 洼解 决 了被 浪仿 真 ｑ的 关键 技 术 ： 值 消 渡 。 数
基于粘性流船舶数值波浪水池造波和消波方法研究
1 引
言
物理实验波浪水池因造价成本高 ， 试验周期长 ， 维修麻烦以及物理实验波浪水池很难观测到水池 中流体在船舶周围细微的变化等原因 ， 越来越多的水动力研究者将兴趣转移到数值波浪水池 ， 并取得 了不少成果 [2-4]。 船舶数值波浪水池是通过计算机仿真 ，尽可能逼真地模拟真实的物理实验波浪水池的 各种功能 ，并最终能够代替物理实验波浪水池完成相应的科学研究及工程设计等任务 [1]。 不断地完善 收稿日期 ： 2012-06-26
2 VOF 方法
流体体积法 VOF （Volume of Fluid ） 是由美国学者 Hirt 和 Nichols 等 （1981 ）[5]提出的 ， 它是一种可以 处理任意自由面的方法 ， 其基本原理通过网格单元的流体体积分数 Cq 来确定运动界面 ， 追踪流体变 化 ， 该方法可以处理自由面重构等强非线性现象 ， 所需要计算时间更短 、 存储量更少 。 定义为单元内第
k0 lsinh k0 h -cosh k0 h +cosh k0 h-k0 l k0 h+sinh k0 h cos k0 h kn lsinh kn h -cosh kn h +cosh kn h-kn l kn h+sinh kn h cos kn h
(7) (8)
（６ ） 式中 ， 等式右边第一部分为行进波 ， 第二部分为造波板产生的驻波 ， 驻波在离开造波板一定距离以 后可以忽略 ，则可知造波板前的波幅为
第 17 卷第 1-2 期 2013 年 2 月
文章编号 ： 1007-7294 （2013 ）01-0056-07
船舶力学
Journal of Ship Mechanics
Vol.17 No.1-2 Feb. 2013
三维数值波浪水池造波技术研究
Ｗ ａ ｖ ｅ Ｇｅ ｎｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ３ 一 Ｄ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｗ ａ ｖ ｅ Ｔａ ｎ ｋ
Ｇｕ ａ ｎ Ｃ ｈ ｅ ｎ， Ｄｏ ｎ ｇ Ｇｕ ｏ ｘｉ ａ ｎ ｇ， Ｊ ｉ ｎ Ｙｕ ｎ ｌ ｏ ｎ ｇ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈｅ ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｗａ ｖ ｅ ｔ ａ ｎ ｋ， ａ ｓ ａ ｎｏ ｖｅ ｌ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｍｅ ａ ｎｓ， ｃ ａｐ ａ ｂｌ ｅ ｏ ｆ ｓ ｕ ｐｐ ｏｒ ｔ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｅ ｐ ｆ ｌ ｏｗ ｉ ｎｖｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｗｉ ｔ ｈ ｒ ｅ ｌ ａｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｌ ＯＷ ｃ ｏｓ ｔ ，ｈａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏｐｉ ｎｇ ｒ ａ ｐｉ ｄｌ ｙ ｉ ｎ ｒ ｅ ｃ ｅｎ ｔ ｙ ｅ ａ ｒ ｓ ．Ａ ３ － Ｄ ｎｕｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ １ ｖ ｉ ｓ ｃ ｏｕｓ ｗａ ｖｅ ｔ ａ ｎｋ ｉ ｓ ｂｕ ｉ ｌ ｔ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ＣＦＤ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ“ ＦＬＵ —
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｗａ ｖ ｅ ｔ ａ ｎ ｋ；ｒ ｅ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｗａ ｖ ｅ；ｗａ ｖ ｅ ｈ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ；ＶＯＦ
０ 引 言
船模 实验 是研 究船 舶 性能 的 主要 手段 ， 为 实船 的性 能分 析 和船 型优 化提 供 重 要参 考 数 据 。但 由于物 理 条件 的 限制 ， 水 池 试验 往往 投入 较 大 、 试 验周 期 长且无 法 获得 足够 的数 据 。利用 数值 波浪水 池 进行研 究 是一
基于粘性流造波板数值造波方法研究
粘性流体 的 Ｎ － Ｓ 方程模拟数值波浪 水池 ，结合标 准 七一 湍流模型 ，基于仿物理 的推板造波数值方法 ，采 用 Ｃ Ｆ Ｄ
一
即雷
直 停 留 在 半 经 验 公 式 和 理 想 流 体 假 设 阶 段 ， 且 物 理 实 验
水 池 的费 用高 昂 ，周期 较长 等原 因。所 以数值 波浪 水池作
为 第 三 种 研 究 手 段 应 运 而 生 。 数 值 波 浪 水 池 是 通 过 计 算 机
仿 真 ，模拟 实验物 理水 池 的各项 功 能 ，代 替费 用高 昂 的物
中图分类号：Ｔ Ｖ １ ３ ９ ． ２
引言
文献 标 识 码 ：Ａ
文章编号 ：１ ０ ０ ６ － ７ ９ ７ ３（ ２ ０ １ ３ ）１ ２ － ０ ２ ７ ４ － ０ ３
一
、
Ｉ ． 基 本 控 制 方 程
波 浪 是 海 洋 环 境 中 最 重 要 的动 力 因 素 之 一 ， 与 船 舶 的
对于瞬 时不可压 缩流体控制方程进行 时间平均 ，得到 时
均的连续方程为 ！ ＝ ０ 。时均 的 Ｎａ ｖ ｉ ｅ ｒ — Ｓ ｔ 。 ｋ ｅ ｓ方 程
诺 平 均 Ｎ— Ｓ方 程 ：
＋ ＝ 一
，
性能 息 息相 关 。研 究达 到工 程实 用水 平 的数 值波 浪水 池是 国际海 岸与 近海 工程 界 关注 的热 点Ｉ １ ｌ 。 由于波 浪理论 的发 展
表 示在 ， Ｙ ，Ｚ三个 方向上 的速度分 量 ；／ ． １ 为 流体的动
不规则波浪的数值模拟
不规则波浪的数值模拟梁修锋;杨建民;李欣;李俊【摘要】优良的波浪环境条件是研究非线性波浪和浮式结构物相互作用问题的基础.文章在数值波浪水池中对不规则波浪进行了数值模拟,造波通过摇板的运动实现,消波通过在水池后段设置消波区实现,自由液面由VOF方法捕捉.对计算所得的波浪时历进行谱分析并将所得谱与理论谱进行了比较,吻合良好.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2010(014)005【总页数】6页(P481-486)【关键词】数值波浪水池;动网格;VOF方法;JONSWAP谱【作者】梁修锋;杨建民;李欣;李俊【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海,200030;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海,200030;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海,200030;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海,200030【正文语种】中文【中图分类】U661.7随着计算机技术的发展，建立数值水池应用于数值模拟的条件越来越成熟。
与物模实验相比数值水池具有经济性高、无触点测量流场、比尺效应小、消除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响、可获得较详细的流场信息等优点。
但是目前数值水池的端部反射问题，尤其是造波板的二次反射限制了数值水池的应用。
通常的处理方法是在二次反射到达结构物之前停止实验，或模型宽度设计得比水池的宽度小很多，对数值模拟意味着需要大量增加计算区域，这受到计算机内存及计算机速度的限制。
王永学[1]基于线性造波机理论在水池的一端设置了可吸收式造波边界条件，造波板的运动除了产生行进波外，同时还产生一个抵消反射波的局部波动。
Brorsen和Larsen[2]提出了适合于边界积分方程方法（BIEM）的源造波方法（source generation），即在计算域内设置一造波源，在源项两边同时产生方向相反的两列波，源项处可透过波浪遇建筑物形成的反射波。
为了消除边界处的反射，Larsen和Dancy[3]提出了用海绵层方法吸收传递到边界处的波能，通过海绵层消除波能的大部分，同时在出流边界处利用Sommerfled 条件，使未能衰减的部分波浪透过边界传到域外。
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 [C]//Proceedings of the 13th Symposium on Naval Hydro-dynamics.Tokyo,1980.[7]JONCQUEZ S A G.Second-order forces and moments act-ing on ships in waves[D].Lyngby:Technical University of Denmark,2009.[8]SEO M G,YANG K K,PARK D M,et al.Numerical a-nalysis of added resistance on ships in short waves[J].O-cean engineering,2014,87:97-110.[9]WU Chengsheng,YAN Daijun,QIU Gengyao,et al.CFDcomputation of added resistance for KVLCC2model in headshort waves[J].Journal of ship mechanics,2015,19(3):229-236.[10]KIM Y C,KIM K S,KIM J,et al.Analysis of added re-sistance and seakeeping responses in head sea conditions for low-speed full ships using URANS approach[J].Inter-national journal of naval architecture and ocean engineer-ing,2017,9(6):641-654.[11]SEC S,PARK S,KOO B Y.Effect of wave periods onadded resistance and motions of a ship in head sea simula-tions[J].Ocean engineering,2017,137:309-327.㊃04㊃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[12]吴乘胜,周德才,兰波,等.高速三体船波浪中运动与增阻CFD计算研究[J].中国造船2010,51(4):1-10.WU 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. [13]陈悦,彭鹏,金晨露.高速三体船迎浪增阻与运动数值仿真[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2016,30(6):517-522.CHEN Yue,PENG Peng,JIN Chenlu.Numerical simula-tion of high speed trimaranᶄs added resistance and motionin regular heading waves[J].Journal of Jiangsu University of Science and Technology(natural science edition), 2016,30(6):517-522.[14]邓锐.阻流板对双体船水动力性能影响的数值研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.DENG Rui.Numerical research on influence of the inter-ceptor on catamaran hydrodynamic performances[D].Harbin:Harbin Engineering University,2010. [15]SUN X S,YAO C B,XIONG Y,et al.Numerical and ex-perimental study on seakeeping performance of a swath ve-hicle in head waves[J].Applied ocean research,2017, 68:262-275.本文引用格式:李昂,李云波.三体船波浪增阻与纵向运动数值模拟及试验研究[J].哈尔滨工程大学学报,2021,42(1):34-41.LI Ang,LI Yunbo.Numerical simulation and experimental research on added resistance and longitudinal motions of a trimaran[J].Journal of Harbin En-gineering University,2021,42(1):34-41.㊃14㊃。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ １ １ ６ ０ ２ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｓ ｈ ａ ｋ ｅ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ ｅ ｒ ｐ ａ ｎ ｅ ｌ ｗ ａ ｓ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｄ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｍｅ ｓ ｈ ． Ｆ ｒ ｅ ｅ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｏ ｆ ｓ ｈ ｉ ｐ ｎ ｕ ｍｅ ｉｃ ｒ ａ ｌ ｗ ａ ｖ ｅ ｔ ａ ｎ ｋ ｗａ ｓ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｉ ｎ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ｖ ｉ ｓ ｃ ｏ ｕ ｓ ｌ ｆ ｕ ｉ ｄ Ｎａ ｖ ｉ ｅ ｒ — － Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｖ ｏ ｌ － ・
基 于粘性流 船舶数值波浪水池造波和 消 波 方 法 研 究 大 连 海 事 大学 ａ ． 航 海 动 态 仿 真 及控 制 交 通 部 重 点 实 验 室 ； ｂ ． 航海学院 ， 辽宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ６ ）
摘 要 ：利 用 动 网 格技 术 实 现 了造 波 板 的摇 动 ，通 过 不 可 压 缩 粘 性 流 体 的 Ｎ ａ ｖ ｉ ｅ ｒ ～ Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 方程和流体体积法 Ｖ Ｏ Ｆ （ Ｖ ｏ ｌ ｕ ｍ ｅ ｏ ｆ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 模 拟 了船 舶 数 值 波 浪 水 池 的 自由表 面 ， 并 结合 湍 流模 型 标 准 ｋ － ｅ ， 同时 在 动 量 方 程 中 添 加 源 项 的方 法 实 现 阻尼 消 波 ， 基 于仿 物 理 的 摇 板造 波 数 值 方 法 ， 采用 Ｃ Ｆ Ｄ商 业 软 件 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 及 其 二 次 开 发 功能 ， 建 立 了 三 维规 则 波 数值 波 浪 水 池模 型 ， 通 过 结 果 分析 可 得 ， 仿 物 理 的摇 板 造 波 的质 量 高 且稳 定 性 好 。
ｕ ｍｅ ｏ ｆ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ（ Ｖ Ｏ Ｆ ）ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ， ａ ｄ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｍｅ ｎ ｔ ｕ ｍ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｗ ａ ｖ ｅ
Ｌ Ｉ ＡＮ Ｊ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ａ ， ＹＩ Ｎ Ｙ ｏ ｎ ｇａ ， Ｙ ＡＮＧ Ｘｉ ａ ｏ ｂ ， Ｇ Ａ０ Ｓ ｈ ｕ ａ ｉ ａ
（ ａ ． Ｋ ｅ ｙ ｌ ａ ｂ ． ｏ ｆ Ｍ ａ ｉ ｒ ｎ ｅ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ＆ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ； ｂ ． Ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ Ｍ ａ ｒ ｉ ｔ ｉ ｍ ｅ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，
Ｒ ｌ 、 ｅ ｓ ｅ ａｒ ｃ ｌ ｌ ０ｎ ｗ ａｖ ｅ Ｒｅ ｎｅ ｒ ａｔ ・ ｉ ■ ｎＲ ａｎｄ １ ａＤｓ ｌ ｏ ｒｍ ｌ● ｎｇ ｉ ● ｎ
Ｓ ｎｌ ｔ● Ｄ Ｖｌ ■ Ｓ Ｃ ０ ＵＳ ｎｕｍ ｅ ｒ ｉ ■ ｃ ａｌ ｌ Ｗａ Ｖｅ ｔ ・ ａ ｎＫ １
第 ｌ ７卷 第 １ － ２期
２ ０ １ ３年 ２月
文章 编号 ：１ ０ ０ ７ — ７ ２ ９ ４ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ — ０ ０ ５ ６ — ０ ７
船 舶力 学
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ｉ ｐ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ
Ｖ０ １ ． １ ７ Ｎｏ ． １ －２ Ｆｅ ｂ．２ ０１ ３
ｄ ａ ｍｐ ｉ ｎ ｇ ． Ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ Ｃ Ｆ Ｄ ｂ ｕ ｓ ｉ ｎ ｅ ｓ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ － ｄ ｉ ｍｅ ｎ — ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｎ ｕ ｍｅ ｉｃ ｒ ａ ｌ ｗａ ｖ ｅ ｔ ａ ｎ ｋ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｒ ｅ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｗ ａ ｖ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ｗ ａ ｖ ｅ — ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｉ ｍｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｗａ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ ｋ － ｅ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｗａ ｖ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ｗａ ｖ ｅ — ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｉ ｍｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｎ ｕ ｍｅ ｉｃ ｒ ａ ｌ ｗａ ｖ ｅ ｔ ａ ｎ ｋ ； ｐ ａ ｎ ｅ ｌ ｗ ａ ｖ ｅ — ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ； ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ａ ｌ ｍｅ ｓ ｈ ； ＶＯ Ｆ
关 键词 ： 数 值 波 浪水 池 ； 摇板式造波 ； 动 网格 ； Ｖ Ｏ Ｆ
中图分类号 ： Ｕ ６ ６ １ ． ３
文献标识码 ： Ａ
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７ — ７ ２ ９ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ｈ １ ． ０ ０ ８