吳 晞, 李宇辰, 韓曉光

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院，廣州 510430)

大型船舶在狹水道淺水域航行的水動力特性

吳 晞, 李宇辰, 韓曉光

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院，廣州 510430)

為研究大型船舶在狹水道淺水域航行時的水動力特性，應(yīng)用三維頻域勢流理論對某大型船舶在不同航速、不同水深吃水比下的附加質(zhì)量力(力矩)進(jìn)行計算。在此基礎(chǔ)上,通過時域分析方法進(jìn)一步計算船舶航行時船體在特定的風(fēng)、浪、流的綜合作用下富余水深隨時間的變化曲線。最后,全面總結(jié)航速、水深對附加質(zhì)量力(力矩)影響的變化規(guī)律，為大型船舶在狹水道淺水域中航行的水動力特性研究、最佳航速的選擇以及航行安全等提供參考。

水路運(yùn)輸;大型船舶；狹水道；淺水；水動力

船舶日益大型化是現(xiàn)在世界船舶發(fā)展的主流趨勢，然而，隨著船舶噸位的不斷增加，航道相對變窄、水域相對變淺已成為一種普遍現(xiàn)象。[1]在深水、開闊水域航行性能良好的船舶在進(jìn)入狹水道淺水域航行時，因其周圍流場發(fā)生變化,將導(dǎo)致船舶整體性能下降。因此，研究船舶在狹水道淺水域的水動力性能是很有必要的。目前，研究船舶水動力性能的方法一般有3種：理論計算、水池試驗(yàn)以及實(shí)船試驗(yàn)。由于目前國內(nèi)具備淺水試驗(yàn)?zāi)芰Φ乃剌^少[2]，進(jìn)行對試驗(yàn)環(huán)境要求如此苛刻的實(shí)船試驗(yàn)的危險度也較大，因此僅應(yīng)用理論的計算方法對問題進(jìn)行研究。

理論計算方法的研究經(jīng)歷了大半個世紀(jì)，現(xiàn)已取得重大突破。從二維理論發(fā)展到三維理論，從頻域分析發(fā)展到時域分析，從線性假設(shè)發(fā)展到非線性處理,計算的范圍不斷擴(kuò)大,理論日趨成熟，尤其是隨著高速化大容量計算機(jī)的出現(xiàn),三維流體動力的數(shù)值計算得到了迅速的發(fā)展。[3]目前，在用三維水動力理論求解輻射-繞射問題時一般采用格林函數(shù)法[4]，該方法計算簡便，且能真實(shí)反映船舶周圍的流場情況，具有良好的計算精度，應(yīng)用最為廣泛。本文使用該方法對大型船舶在狹水道淺水域航行的水動力特征進(jìn)行仿真研究，通過計算，分析并總結(jié)規(guī)律。

1 理論[5-7]概述

1.1基本條件

基本條件為:船體周圍的流體是均勻、無黏性、無旋、不可壓縮的理想流體，入射波為微幅規(guī)則波。

1.2三維流場中速度勢的分解

根據(jù)線性假設(shè)，船舶在波浪中運(yùn)動的流場速度勢可根據(jù)疊加原理分為定常勢和不定常勢兩部分。其中不定常勢又可分解為入射波勢、輻射勢和繞射勢三部分,這樣有式(1)成立。

(1)

式(1)中:ΦI為入射勢；ΦR為輻射勢；ΦD為繞射勢；φ0為已知的入射波勢；ω為波浪的遭遇頻率；ηj為第j個運(yùn)動模式的運(yùn)動復(fù)幅值；φj為第j個運(yùn)動模式單位幅值的搖蕩運(yùn)動的速度勢。

1.3速度勢的求解

速度勢所滿足的條件有

(z=0,j=1，2，3，4，5，6，7)

(2)

式(2)中:n為物面上點(diǎn)的廣義法向量；[L]為控制方程；[S]為物面條件；[F]為線性化的自由表面條件；[B]為底部條件；[R]為遠(yuǎn)方的輻射條件。

輻射勢和繞射勢可通過三維源匯分布理論，采用邊界元法求解。求解出速度勢之后便可通過相應(yīng)的積分運(yùn)算求得相應(yīng)的水動力系數(shù)，并得到作用于船體的流體力。具體過程在此不作過多推導(dǎo)。[8]

1.4時域運(yùn)動方程的建立

在隨船平動坐標(biāo)系中，船體運(yùn)動的時域方程為

Fw(t)+Fw+Fc+Fsn(t)

(3)

式(3)中：M，m為廣義質(zhì)量矩陣和附加質(zhì)量矩陣；K(t-τ)為延遲函數(shù)矩陣；C為靜水恢復(fù)力系數(shù)矩陣；Fw(t)，F(xiàn)w，F(xiàn)c，F(xiàn)sn(t)為一階波浪力、風(fēng)力、流力以及二階波浪力。求解船體運(yùn)動的時域方程，可得船體運(yùn)動時歷。

2 數(shù)值計算模型和結(jié)果分析

2.1計算模型

通過上述計算方法對某大型船舶在狹水道淺水域的航行狀態(tài)進(jìn)行仿真，船型主尺度為：總噸位17萬，船長270 m，船寬50 m，吃水16 m，舷高28 m。通過結(jié)構(gòu)點(diǎn)文件輸入船體的型值點(diǎn)，將船體每站的型值點(diǎn)通過樣條曲線連接起來，最后通過放樣及相關(guān)體操作完成幾何建模。模型完成后，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將船體離散為四邊形或三角形的曲面單元?？紤]到計算精度的要求，劃分網(wǎng)格時應(yīng)盡可能地離散成四邊形單元。此處對船體以及水道劃分的總網(wǎng)格數(shù)為6 578個，其具體模型見圖1和圖2。

圖1 船體幾何模型

圖2 網(wǎng)格模型

計算時，船體模型的總重量、重心以及對重心的慣性矩應(yīng)與實(shí)船一致。計算結(jié)果分為兩部分，即頻域的附加質(zhì)量力(力矩)的計算和富余水深的時域仿真。時域計算的環(huán)境參數(shù)為:

1) 波浪,選用Stokes二階波[9]作為入射波模型,波高2 m,波浪周期為14 s,入射角度為180°(頂浪)。

2) 均勻風(fēng),速度為10 m/s,入射角為90°。

3) 均勻流,速度為1 m/s,入射角為0°。

2.2結(jié)果分析

根據(jù)第1節(jié)的計算方法，對船舶在狹水道淺水域以不同航速及不同的水深吃水比的條件航行時的附加質(zhì)量力(力矩)進(jìn)行計算分析。因篇幅有限，僅選用m22,m33,m44,m35進(jìn)行說明(需要說明的是，此處計算的附加質(zhì)量力(力矩)是在某一個自由度上發(fā)生單位運(yùn)動所造成的附加質(zhì)量力(力矩)值)。

為說明水深的影響,這里圖示不同波浪頻率下附加質(zhì)量力(力矩)隨水深吃水比的變化曲線。由圖3～圖5可以看出,這種變化首先是與波浪頻率有關(guān)的,總體而言,當(dāng)水深吃水比lt;4時,附加質(zhì)量力(力矩)曲線變化幅度明顯；當(dāng)水深吃水比gt;4后,附加質(zhì)量力(力矩)曲線隨深水吃水比的增大而逐漸減弱并趨于平直,這時水深對附加質(zhì)量力(力矩)的影響可以忽略。

圖3 不同波浪頻率下m22隨水深吃水比的變化曲線

圖4 不同波浪頻率下m33隨水深吃水比的變化曲線

圖5 不同波浪頻率下m44隨水深吃水比的變化曲線

為說明不同航速對附加質(zhì)量力(力矩)的影響,圖示了不同航速下附加質(zhì)量力(力矩)隨波浪頻率的變化曲線。由圖6～圖9可以看出,附加質(zhì)量力(力矩)的變化與航速及波浪頻率有關(guān)。就總體趨勢而言,低頻狀態(tài)下變化幅度明顯，當(dāng)頻率增加到一定大小后，變化趨勢逐漸平緩；m22和m44隨航速的增大而減?。籱33在低頻時隨航速的增大而減小，高頻時隨航速的增大而增大；m35則隨航速的增大而增大。

圖6 不同航速下m22隨波浪頻率的變化曲線

圖7 不同航速下m33隨波浪頻率的變化曲線

圖8 不同航速下m35隨波浪頻率的變化曲線

圖9 不同航速下m44隨波浪頻率的變化曲線

大型船舶在進(jìn)入狹水道淺水域航行時，船舶周圍流場會發(fā)生變化，進(jìn)而會使通過船底下面和船舶左右兩側(cè)的水流段面積減小、流速增加，致使船舶阻力增加、船底壓力下降、船舶的浮態(tài)發(fā)生變化、船體下沉、縱傾變化和操縱性能變差。為避免船舶觸底、擱淺或失控，船舶指揮人員在進(jìn)入該水域前應(yīng)對船舶在該水域航行時的富余水深進(jìn)行充分了解?；诖?，通過時域的分析方法對此船在狹水道淺水域航行時富余水深的時歷曲線進(jìn)行了仿真研究(水深吃水比為1.75,仿真時間為2 min),結(jié)果見圖10。

圖10 富余水深的變化曲線

3 結(jié) 語

應(yīng)用三維勢流理論研究某大型船舶在狹水道淺水域中航行時，在不同航速、水深吃水比下水動力的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上采用時域分析方法計算了此船在特定環(huán)境要素下航行時的富余水深隨時間的變化曲線，解決大型船舶在狹水道淺水域狀態(tài)下航行時的水動力計算問題，對船舶在狹水道淺水域的航行具有一定的指導(dǎo)意義。不過，該仿真研究仍存在不足，如實(shí)際水道情況復(fù)雜，不能簡單地以規(guī)則面代替；實(shí)際波浪是隨機(jī)的非線性波而非規(guī)則的微幅線性波[10]。這些不足是下一步研究的重點(diǎn)。

[1] 陳宏.狹水道淺水域航行富余水深的確定[J].集美大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,14(1):48-51.

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HydrodynamicCharacteristicsofLargeShipsSailinginNarrowandShallowChannels

WUXi,LIYuchen,HANXiaoguang

(Navy Marine Academy, Guangzhou 510430, China)

For studying the hydrodynamic characteristics of large ships sailing in narrow and shallow channels, the added mass forces(moments) of a large ship in different speed and water depths are calculated by means of three dimensional frequency domain potential flow theory. The curves of UKC vs time under the combined action of given wind, wave and current are further calculated, using the time domain analysis method. The comprehensive influences of the ship speed and water depth on the added mass force (moment) are summarized. Some guidance on optimizing ship speed and improving navigation safety are given.

waterway transportation; large ship； narrow channel； shallow water； hydrodynamic force

2014-04-29

吳 晞(1958—), 男，福建閩侯人，教授，主要從事艦船操縱與耐波性研究。 E-mail: gamiliyuchen@163.com

1000-4653(2014)03-0100-04

U611.32;U675.5+2

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