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干扰对快速双体船阻力、升沉和纵倾

影响的数值分析

摘要：本文的目的是利用数值分析双体船单个片体产生的波浪之间的相互干扰现象，重点研究了傅汝德数、片体间的距离对双体船阻力、升沉和纵倾的影响。采用URANS求解器CFDShip-Iowa V.4展开数值模拟，评估URANS方法预报双体船阻力、下沉和纵倾的能力，并且对全局变量和局部变量进行了验证和确认。数值模拟结果与试验数据吻合较好，确认研究表明本文预测结果精度较高，可用于更好地了解干扰现象。根据实验，在Fr = 0.45-0.65范围内，双体船的阻力系数明显高于单体船；而且C_T值随着双体船片体间距离的增加而增大。相反，Fr低于0.45和Fr高于0.65时，可以忽略船体间距对阻力、下沉和纵倾的影响。通过CFD分析了流场特征、波形、波切和压力分布。最后，还研究了雷诺数对阻力的影响，结果表明，随着雷诺数的增加，干扰略有减小。

关键词：URANS 双体船 干扰 验证与证明 CFD 船舶运动 阻力

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1.引言

与传统的单船体相比，多体水面舰艇具有良好的阻力、横向稳定性和载荷特性，因此在高速船中的应用较为引人注目。船型和应用也很广泛：从相对较小的水翼高速渡轮到相对较大的用于军事运输的小水线面双体船。因此，多年来对多船体，特别是双体船的布局进行了许多实验和数值研究。

Insel和Molland以及和Molland关于对称片体的高速双体船展开了实验研究，重点研究了船体尺度和片体间距在较大的傅汝德数值范围（0.2-1.0）内对阻力、升沉和纵倾的影响。他们还建立了一个基于薄带假设的数值模型来研究双体船的水动力特性。Cheng等人为非对称双体船，S型双体船的实际设计开发了一种数学理论，该船的船体截面设计成可以在浅水超临界设计速度下消除或至少大幅降低波浪阻力。Millward和Molland等人也对干扰现象进行了进一步的试验和理论研究。Souto Igleasias 等人针对双体船片体间距离对波浪中船舶阻力的影响展开了实验研究。他们还测量了两艘船体之间的波切，将内部波切的形状与干扰阻力联系起来，发现了对双体船有利干扰的可能性。

从数值分析和理论研究的角度看，波浪干扰作用的研究方法通常基于势流理论^[7-10]。Bruzzone 和 Ferrando采用边界元法研究了船体间距长度的影响。尽管上述研究对于估算船舶的兴波阻力和运动非常有用，但在计及多船体干扰、减少尾流特征、深/浅水操纵性、势流/CFD技术，以及优化等的设计改进方面仍存在问题。到目前为止，采用CFD方法进行多船体船舶分析的研究还很少。Stern等人已经发现了小水线面双体船的纵向干扰涡流。Kandasamy等人论证了水翼双体船减少尾流特征的可能性。Milanov等人讨论了与改善高速双体船深/浅水稳定性设计和基于系统的方法预测最相关的问题。

最近，Delft号双体船被美国海军研究所海军国际合作科学技术项目(NICOP)和北约先进运载技术项目(NATO Advanced Vehicle Technology projects)选为研究和CFD验证的国际基准算例。通过进行实验测试和数值研究，对这这艘船的几个水动力参数进行了评估，包括静水阻力和耐波性评估、干扰效应、深/浅水操纵性、喷水推进优化和随机不确定性量化与优化。采用RANS方法进行了数值研究；值得一提的是Visonneau等人使用了自适应网格细化。

本研究的主要目的是评估目前URANS方法数值模拟高速双体船的能力，包括下沉量和纵倾。尤其是傅汝德数 (Fr) 和双体船片体间距离 (s) 对Delft号双体船舶阻力、下沉量和纵倾的影响。数值模拟的速度范围为0.3le;Frle;0.8，其片体间距的变化范围为0.17 le;sle;0.30。本文采用的方法是：利用现有的基准验证数据，对s = 0.23的设计片体间距离、Fr = 0.5时的双体船进行了定量验证(Vamp;V)研究。一旦方法得到验证，数值结果将用于更好地了解双体船周围的流场特征;在特定的波型中，将分析船体内部区域的波痕和沿船体的压力分布。最后，还进行了雷诺数(Re)的研究，以研究粘度对干扰现象的影响

图1、Delft号双体船的型线图和轴侧图

表1、Delft号双体船的主尺度

2.实验数据概述

Delft号双体船的主尺度如图1和表1所示。在设计片体间距离s = 0.23时，分别在TU Delft[16]、BSHC[31]、INSEAN三个试验场上进行静水阻力、升沉和纵倾试验。在Fr = 0.5, 0.65和0.75时的实验不确定度(U_D)由INSEAN提供。表1还包括设施偏差U_FB，通过比较现有数据，根据以下方法估计:

式中，M为每个预设试验的设施数，为第i个设施在第j个Fr的观测值。在设施间数据重叠的情况下，设施偏差研究在Fr= 0.25-0.6范围内。

三种条件下在设计片体间距离s = 0.23时EFD数据对比如图2所示。它包括不同Fr下的总阻力系数CT，包括摩擦阻力系数Cf和剩余阻力系数Cr，以及无量纲的升沉和纵倾。总阻力系数为：

式中：R_T为总阻力（N），为水的密度，U为船舶合速度，S为船体湿面积；无因此的升沉量=singkage/Lpp，纵倾角用（rad）表示。测量结果具有类似的趋势，但是从较大的U_FB值可以看出设施之间存在较大的差异，尤其是在高Fr下升沉和纵倾值。它们是由于模型长度，拖曳水池的深度，设备之间的温度和重心位置的差别。此外，TU Delft和INSEAN使用传统的电阻单点安装，而BSHC使用平面运动机构两点安装。最后，湍流模拟用于INSEAN和TU Delft模型，而不适用于BSHC。

图2、片体间距离s=0.23时不同试验场EFD参数的比较。a：总阻力系数、b：剩余阻力和摩擦阻力系数、c无因次升沉值、d：无因次纵倾值

INSEAN还提供了单体船和双体船在片体间距离为0.17-0.30之间、Fr = 0.3-0.8)的阻力、升沉和纵倾数据，实验得到的数据包括干扰系数（IF），其定义为双体船和单体船之间的总阻力的差值除以单体船的总阻力，根据：

图3.计算域的划分细节

它给出了双体船波系相互作用的测量方法。事实上，在大范围的船舶速度值下，双体船阻力大于单体船阻力的两倍()。附加的阻力部分是由于从单个片体引起的波浪在内部区域引起的相互作用。在某些情况下，可能出现负值;波系往往互相抵消，从而引起波浪阻力的减小。

在目前的URANS仿真中，INSEAN-CNR的实验数据[24]将用于验证。需要注意的是，CFD模拟的雷诺数与实验值略有不同;这是由于实验与数值模拟使用的水温不同(表1)。事实上，在实验活动中，要将拖曳水池的水温精确维持在规定的数值是相当困难的;因此，由于粘度的变化，雷诺数通常受到不确定性的影响。因此，为了一致性，通常使用实验数据的雷诺数校正来匹配15 ℃下的Re值，这是数值模拟中使用的温度值。

3.计算分析方案

3.1 计算方法

当前仿真用的算法是CFDShip-IowaV.4。它基于流体自由液面相对非定常雷诺平均N-S方程的解。采用单相水平集方法（single-phase level-set method ）获取自由表面，采用无壁面函数的混合模型对湍流进行建模。

表2.边界条件

质量守恒采用PISO算法，得到了压强的泊松方程。CFDShip-Iowa允许使用动态超置网格方法计算船舶运动(6DOF)，用于局部网格细化和大振幅运动。在这种情况下，使用SUGGAR算法[35]获取重叠网格集之间的超集域连通性。在HPC集群Cray XT4 (Jade)上进

资料编号：[3787]