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双体船在规则首波前进的耐波性数值研究

摘要

为了评估非定常RANS程序预测高速多船体船舶在公海状态下耐波性的能力，进行了数值研究。数值分析包括船舶运动评估、波浪陡度对船舶响应的影响、双体船固有频率和波浪附加阻力。对DELFT 372双体船进行了计算由URANS求解器CFDSHIP-Iowa V.4。该代码验证在高航速(0.3le;Fnle;0.75)和高波幅(0.025le;Akle;0.1)时得到了令人鼓舞的结果。与切片理论的比较表明，RANS方法预测船舶运动具有较高的精度，可以检测非线性效应。目前的计算表明，对于所有的Fn，升沉峰值出现在共振处，并且在Fn =0.75处达到绝对最大值。对于每个速度，最大纵摇出现在低于谐振频率处，绝对最大纵摇出现在中间Fn = 0.6处。最大附加阻力R_aw是在Fn = 0.45时计算的，有趣的是，它接近双体船Fn_coincidence。总的来说，我们发现与Simonsen( 2008 )的结果相似。然而，对于KCS集装箱船，本文测试了多船体几何形状和更高的速度。此外，我们的研究结果有助于进一步评价激振力及其与f_e、l / Lpp的相关性。

关键词：耐波性 RAO 双体船 URANS CFD 船舶运动 规则波 共振 波浪陡度 附加阻力

Abstract

A numerical study was undertaken in order to assess the capability of an unsteady RANS code to predict the seakeeping characteristics of a high-speed multi-hull vessel in high sea states. Numerical analysis includes evaluation of ship motions, effects of wave steepness on ship response, catamaran natural frequency and added resistance in waves. Computations were performed for the DELFT 372 catamaran by the URANS solver CFDSHIP-Iowa V.4. The code was validated with encouraging results for high ship speeds (0.3le;Fnle;0.75) and high wave amplitudes (0.025le;Akle;0.1). Comparison with strip theory solutions shows that the RANS method predicts ship motions with higher accuracy and allows the detection of nonlinear effects. Current computations evidence that heave peaks occur at resonance for all Fn, and reach the absolute maximum at Fn=0.75. Maximum pitch occurs at frequencies lower than resonance, for each speed, and absolute maximum occurs at medium Fn=0.6. Maximum added resistance, R_aw, was computed at Fn=0.45, which, interestingly, is near the catamaran Fn_coincidence. Overall, we found similar results as Simonsen et al. (2008) for KCS containership, though, herein, a multi-hull geometry and higher speeds were tested. Also, our results are useful to further evaluate the exciting forces and their correlation with f_e and l/L_pp.

Key word：Seakeeping RAO Catamaran URANS CFD Ship motions Regular waves Resonance Wave steepness Added resistance

1.引言

船舶设计最重要的方面之一，就是改进船体对环境响应的安全性和有效性影响。船舶通常在平静的水域条件下进行优化，但是船体在平静水中的良好行为可能导致不必要的在海浪中的行为，在那里船只可能会受到大垂直共振运动。因此，水动力优化研究应该从整体上考虑船舶分析的基本方面:阻力、推进、操纵和耐波性。特别是在船舶的耐波性方面，研究波浪的振幅和长度对船舶运动、流场和水动力的影响，以预测能够保证船舶最佳性能的海况范围，可能是有意义的。

船舶在波浪中前进的行为传统上主要采用实验流体动力学( EFD )程序，重点研究波浪对船舶运动的影响。Orsquo;Dea等人( 1992 )给出了集装箱船模型的升沉和纵摇运动的结果，以便更好地理解船舶响应的线性。当波陡度值大于0.08时，观测到非线性垂直平面运动，而当波陡度较低时，观测到近似线性响应。 Fonseca和 Soares( 2004 )研究了ITTC S - 175模型在规则首波中的非线性垂直平面运动。波浪陡度值大于0.07时，垂荡和纵摇运动中的非线性在共振附近更明显。最近， Irvine等人( 2008 )介绍了某水面舰艇作战人员在一定速度、波浪陡度和波浪频率范围内的升沉和纵摇耦合运动结果，以研究船舶发生最大响应的流动条件，并推导出估算最大升沉和纵摇响应速度的简单方程( Fn_coincidence)。然而， Irvine等人( 2008 )未能验证方程式，因为测试程序未涵盖高于Fn_coincidence的速度值。随后， Simonsen等人( 2008 )对KCS集装箱船进行了调查，并专门设计了试验程序，以涵盖方程预测的最大响应条件。 Simonsen等人的EFD结果与 Irvine等人的结果部分一致( 2008年)。

计算流体力学( CFD )在耐波问题中的早期应用涉及基于势流与小振幅运动耦合的假设的求解技术。在首波的升沉和纵摇运动的切片理论是由 Korvin-Kroukovsky和 Jacobs( 1957 )提出的。这是第一个适用于数值计算的运动理论，虽然运动方程系数中的前进速度项不满足 Timman和 Newman ( 1962 )证明的对称条件，但它可以高精度地预测船舶运动。对 Korvin-Kroukovsky和 Jacobs理论进行了多次尝试，并发展了新的切片理论(Ogilvie和Tuck，1969； Salvesen等人，1970) Salvesen等人( 1970 )引入了一种新的切片理论，假设潜在流、线性和谐波振荡运动以及船舶横向对称性，该理论可以预测升沉、纵摇、横摇、横荡和首摇。该方法将船舶运动的全非线性控制方程简化为两组耦合的线性微分方程:一组用于升沉和纵摇运动，另一组用于水平面运动，即横荡、首摇和横摇。用该方法计算了几种船体形状，并与试验数据进行了比较，发现升沉和纵摇运动以及垂直和水平波浪载荷都符合要求。相反，由于缺乏水平面运动的实验数据，预测横荡、首摇和横摇的准确性没有得到验证。然而，一般来说，由于水平平面运动，特别是横摇运动的粘性，进一步基于切片理论的计算精度较差。为了克服切片理论的局限性，本文尝试发展粘性流动和大振幅运动的数值方法。目前，Reynolds averaged Navier–Stokes ( RANS )方法的研究主要集中在耐波性和操纵问题上，因为粘性和湍流的影响隐含在流动方程中基于Navier - Stokes解算器的数值模拟在涉及静水中稳定阻力和阻力的问题上取得了较高的精度( Larsson等人，2000)。然而，由于模拟非定常流动和船舶运动的复杂性，RANS方法在耐波和操纵中的应用和推广需要付出很大的努力。

文献中曾多次尝试开发CFD方法来预测波浪中前进的船舶在垂直面内的运动，得到的结果令人鼓舞。 Sato等人( 1999 )计算了Wigley船体和系列60的升沉和纵摇运动，引入密度函数法来模拟自由表面，并引入船舶固定坐标系来计算规则首波中的船舶运动。cura Hochbaum和Vogt ( 2002 )对系列60和C箱集装箱船进行了计算，该船在波浪中可自由纵荡、升沉和纵摇，并使用两相水平集方法计算自由表面流。在小波幅下，计算结果与实验数据吻合较好。此外， Orihara和Miyata ( 2003 )在计算集装箱船的升沉和纵摇运动时也取得了令人满意的结果，并强调了附加质量和运动传递函数。他们引入密度函数法来模拟自由表面，并引入重叠网格系统来实现船舶与入射波的相互作用以及由此产生的船舶运动。然而，在上述工作中，对实验数据的验证是有限的。 Wilson等人( 2005 )通过RANS代码对地面战斗舰DTMB 5121的预测和规定横摇运动进行了模拟，其中包括计算自由表面的地面跟踪技术。为了量化数值和建模误差，进行了验证和验证研究，并与实验结果进行了比较。 Weymouth等人发现，使用表面跟踪RANS代码对垂直平面运动进行了详细的分析。Weymouth ( 2005 )对修正后的Wigley船体在规则首波中的前进速度绕射问题、辐射和预测运动响应进行了建模，并与切片理论结果进行了比较。在较宽的频率范围和弗劳德数下，与实验结果进行了比较，两者吻合较好。然而，在上述工作中，船舶运动局限于小幅度，主要原因是用于模拟自由表面的技术存在局限性。实际上，当网格变形过大时，曲面跟踪法会失效。 Carrica等人( 2006 )针对DTMB 5121进行了船舶前进速度绕射问题的非定常RANS仿真，获得了详细的实验数据，并提出了一种计算自由面的表面捕获单相位准集方法。随后，同样的方法被扩展到包括六个自由度( 6 DOF )的运动，在计算过程中使用随相对运动移动的重叠网格( 2007b )。在Fn = 0.28和0.41，lambda;/ L = 1.5，Ak = 0.025的情况下，计算了DTMB模型5521在规则首波中的纵摇和升沉运动，与现有实验数据进行了比较，并进行了验证和确定分析。Mousaviraad等人 (2010)计算了在首波中前进的DTMB 5121的升沉和纵摇运动幅度和相位，并将使用HWG程序获得的结果与需要多次运行的规则波( RW )程序以及瞬时波组( TWG )技术进行了比较。升沉和纵摇运动得到了很好的预测，规则波、简谐波组和瞬时波组的平均误差分别为3.08 %、3.39 %和4.35 %。计算结果表明，规则波结果的精度较高，但与简谐波组结果的差异较小。此外，与RW程序相比，HWG技术的效率最高，节省了75.8 %的计算成本，与TWG技术相比，节省了39 %的计算成本。

本文讨论了在规则波中前进的高速多体船的CFD结果，包括严格的验证和确定( V amp;V )研究、与实验数据和切片理论的比较、固有频率和最大响应的评估、波浪陡度的影响、Ak和附加阻力的评估。采用非定常雷诺平均Navier - Stokes ( URANS )程序对高速双体船进行了数值模拟。考虑共振和lambda;/ /L_pp条件，研究了双体船的最大响应条件。在选定的条件下( Ak = 0.025、0.05和0.1 )，研究了波浪陡度对升沉和纵摇运动非线性的影响，尽管Ak = 0.025有实验数据可用。将升沉和纵摇运动与VERES软件( 2003 )执行的线性条带理论结果进行比较。最后给出了波浪中附加阻力的计算结果，重点讨论了最大阻力与符合弗劳德数Fn的关系。

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