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两船在静水中的兴波干扰数值计算

王小龙;毕毅

【摘要】使用VOF方法计算两排水量相当的船型在静水中兴波的水动力干扰,计算时采用两型值一样的Wiglev船作为对象,湍流模式选择了RNGk-ε模型.在模拟计算时,变化两船的航速以及两船的间距,得到不同状态下的兴波波形.将得到的波形加以比较分析,进而得出兴波值最大的位置.低速时兴波最大值出现在距船首1/3船长左右的位置,高速时兴波最大值出现在距船首2/3船长左右的位置.将计算结果与实验结果相比较,令人比较满意,证明这种算法是很有效的,为以后的较为复杂的船型两船干扰模拟计算提供了一些参考.

【期刊名称】《中国舰船研究》

【年(卷),期】2010(005)006

【总页数】5页(P60-64)

【关键词】VOF方法;Wigley船型;自由面;兴波干扰

【作者】王小龙;毕毅

【作者单位】海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033;海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033

【正文语种】中文

【中图分类】U661.1

两体的水动力干扰研究早在上世纪60年代就已经发起了。Ohkusu［1］采用系列展开法计算作用在相互连接的两个圆柱体上的水动力。VanOorhnerssen［2］采用三维源汇分布法计算了圆柱与方盒的相互干扰水动力系数并与模型试验结果进行比较。Kodan［3］采用切片法预报两体干扰问题,并且给出了两个结构体在不规则波中的响应结果。Loken［4］则采用三维源汇分布法分析了波浪中运动的多体之间的干扰。Duncan等［5］应用VanOorlmerssen提出的方法计算了两舰之间的耦合运动响应。Korsmeyer［6］则采用试验的方法研究了两舰的垂向运动,并采用三维面元方法计算了两舰在有限水域的干扰问题。Williams与Rangapp［7］采用修正平面波方法计算了由多列半浸圆柱结构组成的多层柱海洋平台的水动力载荷与附加质量阻尼系数。Zhang等［8］采用基于B样条的一种新的数值方法计算三维船体水动力,用B样条函数表达三维船体表面的几何形状以及流场中未知物理量的分布,在一些假设下对两船作平行航行时的干扰水动力做了相应的计算工作。王建方等［9］基于线性势流理论,采用二维切片法(STF)研究波浪中两个浮体以相同航速航行时所产生的水动力干扰效应,通过数值计算预报两浮体的五自由度混合运动响应；提出了一种预报两舰在波浪中做耦合运动的三维频域方法。

以上的作者采取不同的研究方法,研究目的也不尽相同。随着大型船舶的发展,为了满足大型船舶海上补给的需要,其排水量与补给船处在同一数量级,因此,对于排水量相当的舰艇进行补给时的干扰问题的研究显得更加迫切。本文选择两个型值一样的Wigely船为研究对象,目的是为了研究排水量相当的船型在补给时的影响,何处出现比较大的波峰波谷,为两船补给时提供一个比较好的补给点,为后面的复杂船型的数值计算和模型实验提供参考。本文从静水兴波出发,研究探讨两船的干扰问题。数值模拟计算与双体船有相似之处,但是研究的方向是不同的,重点是研究两船兴波干扰时中间对称面的波形,而双体船主要是站在阻力的角度去研究。

绕船体的自由表面流动实际上是两相(水和空气)流动,自由表面也就是水和空气的交接面。水是不可压缩流体；又因为给定的船速比较低,所以空气也可以作为不可压缩流体处理。

水和空气的连续方程分别可以用体积分数写为：其中,V→为速度矢量；α表示体积分数,下标a和w分别代表空气和水。

计算区域内的每个控制体积都由水和(或)空气充满,它们的体积分数之和应为1,即

两相流同样要满足动量守恒方程：

其中,流体密度ρ=αwρw+αaρa；p为压力；μ是粘性系数为重力加速度是体积力。

计算时的雷诺数分别为：3.0×106和4.28×106。对于湍流模式,本文所应用的是k-ε方程模型的一种改进模式RNGk-ε模型,这种模型是一种适合复杂粘性流场计算的湍流模型［10］。其方程形式如下：

式中,湍动粘性系数湍动生成项Pk=平均应变张量模型特有的控件Rε=其中的常数分别为：σk=1.39,σε=1.39,Cε1=1.42,Cε2=1.68,Cμ=0.0845,η0=4.38,β=0.012。

模型的边界条件的具体设置如下：

1)入口边界位于距船首一倍船长的地方,在入口边界,根据船体的运动速度,给定入口流体的流动速度,根据自由面的具体位置设置水和空气的体积分数。单船时,入口边界宽度为一倍船长(图1),两船时,入口边界宽度为一倍船长再加上两船间距的一半(图2)。

2)出口边界距船尾两倍船长,其流动不受船体的影响,流动是均匀的,并设置压力出边界条件,单船时,出口边界宽度为一倍船长(图1),两船时出口边界宽度为一倍船长再加上两船间距的一半(图2)。

3)设置船体为固壁边界条件。

4)其它边