船舶近垂直岸壁航行时岸壁效应数值研究.pdfVIP

第九届全国水动力学学术会议暨第二十二二届全国水动力学研讨会文集 船舶近垂直岸壁航行时的岸壁效应数值研究 姚建喜1，邹早建1，一，王化明1 2上海交通大学海洋工程国家重点实验室，200030，Email：刁zou@sjtu．cdu．饥) 摘要：船舶近岸壁沿岸航行时，由于船体左右两侧流场不对称，使船体受到指向岸壁的横 向力和使船首偏离岸壁的转首力矩，称为岸壁效应．岸壁效应对船舶近岸航行安全性具有重 要影响，是船舶操纵性研究的热点课题之一。本研究基于势流理论，采用一价R矾kine源面元 法计算船舶在浅水中近岸航行时受到的横向力和转首力矩．在船体表面、自由面及岸壁表面 上分布源汇来表达流体扰动速度势，通过满足这些边界面上的边界条件确定未知源强；采用 Ne眦on迭代法满足非线性自由面边界条件，而辐射条件采用自由面奇点抬高与错位技术来满 足；同时，采用镜像法满足水底边界条件。在求得源强和扰动速度势后，由伯努利方程得到 流场中的水动压力，进而通过船体湿表面的压力积分求得船体水动力和力矩．以沿垂直岸壁 作匀速直航运动的系列60船型为例，计算了在不同水深和不同船到岸壁距离时船体所受到的 横向力和转首力矩，其结果与Fluent软件计算结果进行了比较． 关键词：岸壁效应；垂直岸壁；Rankine源；面元法 1引言 近年来，船舶向大型化发展，主尺度不断增长，航道对船舶操纵性的影响问题越来越突 出。船舶在靠近航道岸壁航行时所受水动力的特点与在无限水域中航行时有很大不同。近岸 航行的船舶，由于岸壁影响使其左右两侧流动不对称，使船体受到指向岸肇的横向力和使船 首偏离岸壁的转首力矩，称为岸壁效应。岸鼙效应对于近岸航行的船舶而言是一个不安全因 素，常会造成船舶过度与岸壁接近而发生碰撞。因而应加强对岸壁效应的研究。 早在1974年No柏inII J通过大量试验对岸壁效应进行了研究，并给出了计算单侧直壁、斜 壁及阶跃水底对船舶诱导的横向力和转首力矩的同归公式。Renilson等f2】通过试验比较了斜壁 直航情况做了范同更广的试验，分别给出了计算船舶在不同航速、不同水深、不同船到岸壁 距离以及不同的岸壁倾斜角度情况下所受到的横向力和转首力矩的经验公式。但试验方法费 程国家重点实验室自主研究课题资助． ．773． 第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会文集 时、成本高，且不便于进行船型水动力优化设计，所以开发、应用其他更便利的方法是必要 Fluid 的。随着计算机科学技术的飞速发展和基于计算流体动力学(ComputationalDyn姗ics， CFD)的数值计算方法在船舶水动力学问题中的成功应用，采用CFD技术计算操纵运动船体 绕流场等复杂流场已成为可能。该类方法可以方便地改变船型、工况进行系列计算以分析特 定参数对水动力的影响，为进行岸肇效应数值研究提供了一种有效的T具。 本研究将Zou【6。‘7】提出的数值方法拓展应用于计算船舶近岸航行时受到的横向力和转首力 矩。该方法是一种基于势流理论的一阶Rallkine源面元法，将船舶表面、自由面及岸壁表面划 分为三角形或四边形面元，在每个面元上分布强度为常数的Rankine源，通过满足这些边界面 上的边界条件确定未知源强，同时用自由面奇点抬高与错位技术满足辐射条件，用镜像法满 足水底边界条件，用NeⅢon迭代法满足非线性自由面条件。采用该方法，计算了沿垂直岸壁 作定常直航运动的系列60(C萨0．6)船型在不同水深和不同船到岸壁距离时受到的横向力和转 首力矩，计算结果与Flu蛐t软件计算结果进行了比较。 2 问题的数学描述 如图1所示，考虑以匀速U沿船体右侧直壁做直航运动的船舶，水深为日，船到岸壁距 离为y。采用如图1所示的右手直角坐标系D一班，其中x轴指向船首。y轴指向船体右舷， z轴垂直向下。 警÷叫工·2 I 图l坐标系 假定流体为不可压理想流体，流动无旋，则存在扰动速度势≯(x，少，z)，在流场中满足 L印