迎浪航行下高速双体船耐波性能研究
时间：2023-04-21 11:05:05 来源：千叶帆 本文已影响人
孙海滨 石修伟 冷江南 谢方伟 谢 飞 田祖织
（1.中国船舶集团有限公司第七〇四研究所，上海 200031；
2.中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221116；
3.泰州市金海运船用设备有限责任公司，泰州 225300）
船舶耐波性指的是在海浪状态下船舶的航行性能[1-4]。海浪对船舶行驶会造成影响，在波浪较大的工况下会对船舶安全行驶产生不利影响。为保证船舶的安全性和舒适性，对船舶耐波性进行研究十分有意义[5-8]。
贺妍针对穿浪双体船开展耐波性实验，测量分析船舶的纵倾和升沉，获得了穿浪双体船耐波性能数据[9]。焦甲龙针对穿浪双体船开展耐波性实验，通过水池模型实验进一步研究了不同船型的耐波性能[10]。高天敏针对双体风电运维船开展耐波性实验，结合潮间带风波浪，获得了双体风电运维船耐波性能数据[11]。牛杰针对小水线面双体船开展纵向运动数值计算，获得了不同海况下模型船的纵摇、垂荡数据[12]。张牧等针对豪华邮轮开展了多工况耐波性数值分析，对邮轮进行耐波性能分析，获得了不同波高、航速下的耐波性能数据[13]。雷震针对大型邮轮的安全性与舒适性开展了耐波性能分析，基于水面自航模型，评估了邮轮在不同工况下的安全性与舒适性[14]。李兴宇等针对破冰船开展耐波性能衡准分析，对船舶在不同海况下的自由横摇进行了耐波性分析[15]。
目前，在对船舶耐波性的研究中缺少针对高速双体船在复杂海况条件下耐波性能的分析。本文将以高速双体船为切入点，综合研究其在复杂海况中的耐波性能，以期为其设计与优化提供理论依据和数据支撑。
1.1 模型建立
如图1和表1所示，根据双体船实际参数，使用SolidWorks软件对双体船进行等比例建模。在流场仿真计算中，船体网格质量会影响结果精度。通过网格无关性验证，设计方案网格尺寸数量为579万，边界层层数为5层，边界层网格厚度增长率为1.2。
表1 8 m双体船参数
图1 双体船三维模型
1.2 边界条件设置
自由液面主要包括空气和水两种流体。目前，对自由液面的捕捉技术主要有MAC、流体体积（Volume of Fluid，VoF）等。本文基于Fluent软件，采用VoF明渠流动模型，选择湍流模型为k-omega模型，边界条件设置如图2所示。在船舶阻力仿真计算过程中，采用全船进行模拟。
图2 Fluent边界条件设置
1.3 规则波参数设置
规则波波高通常为1/40L～1/60L，L为船体长度。本次仿真过程中，计算波高为0.13 m，计算域水深约8 m，计算公式为
仿真波高为0.13 m，波陡满足H/λ≤0.033，属于波斗较小的波浪，故采用线性波理论进行计算。本次选择实船航速为20节的工况，通过仿真试验得到纵摇响应曲线和垂荡响应曲线。
2.1 纵摇运动响应曲线
通过纵摇幅值算子研究纵摇运动，计算公式为
式中：Yφ为平均纵摇幅值算子；
φ为平均纵摇幅值；
ζA为波幅。
研究恒定航速下波长对双体船纵摇运动的影响。研究恒定航速下波长对双体船纵摇运动的影响。图3为不同波长下纵摇运动历时曲线。可见：双体船纵摇运动在3.5 s后逐渐趋于稳定；
不同波长条件下，纵摇幅值呈现周期性变化，变化范围为1.5°～3.0°，此时出现艏倾现象，艏倾范围为0.105～0.210 m。当波长在8～20 m时，纵摇幅值变化幅度较小，周期性更明显，周期更短；
当波长大于20 m时，纵摇幅值变化幅度较大，周期变长。图4为不同波长下平均纵摇幅值算子响应曲线。可见：当λ/L≤5.0和λ/L≥10.0时，平均升沉响应数值较小；
当λ/L=7.5时，对应周期为6.2 s，即波浪频率为1.013 rad·s-1，船舶的平均纵摇响应数值达到最大值。船舶的固有频率和遭遇频率相似，垂荡运动响应较大。
图3 不同波长下纵摇运动历时曲线
图4 不同波长下平均纵摇幅值算子响应曲线
2.2 升沉运动响应曲线
通过升沉幅值算子研究升沉运动，计算方法为
式中：Yz为平均升沉幅值算子；
z为平均升沉幅值；
ζA为波幅。
研究恒定航速下波长对双体船升沉运动的影响。图5为不同波长下平均升沉幅值算子响应曲线。可见：当λ/L≤3.0时，平均升沉响应数值先增大后减小；
当λ/L=1.0时，平均升沉响应数值为局部最大值；
当λ/L=7.5时，对应周期为6.2 s，即波浪频率为1.013 rad·s-1，船舶的平均升沉响应数值达到最大值，船舶的固有频率和遭遇频率相似，升沉运动响应较大；
当λ/L≥7.5时，平均升沉响应数值逐渐减小。
图5 不同波长下平均升沉幅值算子响应曲线
通过对双体船纵摇运动、升沉运动的分析，可以得出：在规则波下，不同波长双体船纵摇何升沉相对变化均较小，说明该船体结构在三级海况以下的耐波性较好；
波长为60 m时，纵摇及升沉运动出现峰值，导致船体耐波性较低。
