大型船舶在狹水道淺水域航行的水動(dòng)力特性

吳 晞, 李宇辰, 韓曉光

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院，廣州 510430)

大型船舶在狹水道淺水域航行的水動(dòng)力特性

吳 晞, 李宇辰, 韓曉光

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院，廣州 510430)

為研究大型船舶在狹水道淺水域航行時(shí)的水動(dòng)力特性，應(yīng)用三維頻域勢(shì)流理論對(duì)某大型船舶在不同航速、不同水深吃水比下的附加質(zhì)量力(力矩)進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)時(shí)域分析方法進(jìn)一步計(jì)算船舶航行時(shí)船體在特定的風(fēng)、浪、流的綜合作用下富余水深隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。最后,全面總結(jié)航速、水深對(duì)附加質(zhì)量力(力矩)影響的變化規(guī)律，為大型船舶在狹水道淺水域中航行的水動(dòng)力特性研究、最佳航速的選擇以及航行安全等提供參考。

水路運(yùn)輸;大型船舶；狹水道；淺水；水動(dòng)力

船舶日益大型化是現(xiàn)在世界船舶發(fā)展的主流趨勢(shì)，然而，隨著船舶噸位的不斷增加，航道相對(duì)變窄、水域相對(duì)變淺已成為一種普遍現(xiàn)象。[1]在深水、開(kāi)闊水域航行性能良好的船舶在進(jìn)入狹水道淺水域航行時(shí)，因其周?chē)鲌?chǎng)發(fā)生變化,將導(dǎo)致船舶整體性能下降。因此，研究船舶在狹水道淺水域的水動(dòng)力性能是很有必要的。目前，研究船舶水動(dòng)力性能的方法一般有3種：理論計(jì)算、水池試驗(yàn)以及實(shí)船試驗(yàn)。由于目前國(guó)內(nèi)具備淺水試驗(yàn)?zāi)芰Φ乃剌^少[2]，進(jìn)行對(duì)試驗(yàn)環(huán)境要求如此苛刻的實(shí)船試驗(yàn)的危險(xiǎn)度也較大，因此僅應(yīng)用理論的計(jì)算方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行研究。

理論計(jì)算方法的研究經(jīng)歷了大半個(gè)世紀(jì)，現(xiàn)已取得重大突破。從二維理論發(fā)展到三維理論，從頻域分析發(fā)展到時(shí)域分析，從線(xiàn)性假設(shè)發(fā)展到非線(xiàn)性處理,計(jì)算的范圍不斷擴(kuò)大,理論日趨成熟，尤其是隨著高速化大容量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),三維流體動(dòng)力的數(shù)值計(jì)算得到了迅速的發(fā)展。[3]目前，在用三維水動(dòng)力理論求解輻射-繞射問(wèn)題時(shí)一般采用格林函數(shù)法[4]，該方法計(jì)算簡(jiǎn)便，且能真實(shí)反映船舶周?chē)牧鲌?chǎng)情況，具有良好的計(jì)算精度，應(yīng)用最為廣泛。本文使用該方法對(duì)大型船舶在狹水道淺水域航行的水動(dòng)力特征進(jìn)行仿真研究，通過(guò)計(jì)算，分析并總結(jié)規(guī)律。

1 理論[5-7]概述

1.1基本條件

基本條件為:船體周?chē)牧黧w是均勻、無(wú)黏性、無(wú)旋、不可壓縮的理想流體，入射波為微幅規(guī)則波。

1.2三維流場(chǎng)中速度勢(shì)的分解

根據(jù)線(xiàn)性假設(shè)，船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)速度勢(shì)可根據(jù)疊加原理分為定常勢(shì)和不定常勢(shì)兩部分。其中不定常勢(shì)又可分解為入射波勢(shì)、輻射勢(shì)和繞射勢(shì)三部分,這樣有式(1)成立。

(1)

式(1)中:ΦI為入射勢(shì)；ΦR為輻射勢(shì)；ΦD為繞射勢(shì)；φ0為已知的入射波勢(shì)；ω為波浪的遭遇頻率；ηj為第j個(gè)運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)復(fù)幅值；φj為第j個(gè)運(yùn)動(dòng)模式單位幅值的搖蕩運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)。

1.3速度勢(shì)的求解

速度勢(shì)所滿(mǎn)足的條件有

(z=0,j=1，2，3，4，5，6，7)

(2)

式(2)中:n為物面上點(diǎn)的廣義法向量；[L]為控制方程；[S]為物面條件；[F]為線(xiàn)性化的自由表面條件；[B]為底部條件；[R]為遠(yuǎn)方的輻射條件。

輻射勢(shì)和繞射勢(shì)可通過(guò)三維源匯分布理論，采用邊界元法求解。求解出速度勢(shì)之后便可通過(guò)相應(yīng)的積分運(yùn)算求得相應(yīng)的水動(dòng)力系數(shù)，并得到作用于船體的流體力。具體過(guò)程在此不作過(guò)多推導(dǎo)。[8]

1.4時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程的建立

在隨船平動(dòng)坐標(biāo)系中，船體運(yùn)動(dòng)的時(shí)域方程為

Fw(t)+Fw+Fc+Fsn(t)

(3)

式(3)中：M，m為廣義質(zhì)量矩陣和附加質(zhì)量矩陣；K(t-τ)為延遲函數(shù)矩陣；C為靜水恢復(fù)力系數(shù)矩陣；Fw(t)，F(xiàn)w，F(xiàn)c，F(xiàn)sn(t)為一階波浪力、風(fēng)力、流力以及二階波浪力。求解船體運(yùn)動(dòng)的時(shí)域方程，可得船體運(yùn)動(dòng)時(shí)歷。

2 數(shù)值計(jì)算模型和結(jié)果分析

2.1計(jì)算模型

通過(guò)上述計(jì)算方法對(duì)某大型船舶在狹水道淺水域的航行狀態(tài)進(jìn)行仿真，船型主尺度為：總噸位17萬(wàn)，船長(zhǎng)270 m，船寬50 m，吃水16 m，舷高28 m。通過(guò)結(jié)構(gòu)點(diǎn)文件輸入船體的型值點(diǎn)，將船體每站的型值點(diǎn)通過(guò)樣條曲線(xiàn)連接起來(lái)，最后通過(guò)放樣及相關(guān)體操作完成幾何建模。模型完成后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將船體離散為四邊形或三角形的曲面單元?？紤]到計(jì)算精度的要求，劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)盡可能地離散成四邊形單元。此處對(duì)船體以及水道劃分的總網(wǎng)格數(shù)為6 578個(gè)，其具體模型見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 船體幾何模型

圖2 網(wǎng)格模型

計(jì)算時(shí)，船體模型的總重量、重心以及對(duì)重心的慣性矩應(yīng)與實(shí)船一致。計(jì)算結(jié)果分為兩部分，即頻域的附加質(zhì)量力(力矩)的計(jì)算和富余水深的時(shí)域仿真。時(shí)域計(jì)算的環(huán)境參數(shù)為:

1) 波浪,選用Stokes二階波[9]作為入射波模型,波高2 m,波浪周期為14 s,入射角度為180°(頂浪)。

2) 均勻風(fēng),速度為10 m/s,入射角為90°。

3) 均勻流,速度為1 m/s,入射角為0°。

2.2結(jié)果分析

根據(jù)第1節(jié)的計(jì)算方法，對(duì)船舶在狹水道淺水域以不同航速及不同的水深吃水比的條件航行時(shí)的附加質(zhì)量力(力矩)進(jìn)行計(jì)算分析。因篇幅有限，僅選用m22,m33,m44,m35進(jìn)行說(shuō)明(需要說(shuō)明的是，此處計(jì)算的附加質(zhì)量力(力矩)是在某一個(gè)自由度上發(fā)生單位運(yùn)動(dòng)所造成的附加質(zhì)量力(力矩)值)。

為說(shuō)明水深的影響,這里圖示不同波浪頻率下附加質(zhì)量力(力矩)隨水深吃水比的變化曲線(xiàn)。由圖3～圖5可以看出,這種變化首先是與波浪頻率有關(guān)的,總體而言,當(dāng)水深吃水比lt;4時(shí),附加質(zhì)量力(力矩)曲線(xiàn)變化幅度明顯；當(dāng)水深吃水比gt;4后,附加質(zhì)量力(力矩)曲線(xiàn)隨深水吃水比的增大而逐漸減弱并趨于平直,這時(shí)水深對(duì)附加質(zhì)量力(力矩)的影響可以忽略。

圖3 不同波浪頻率下m22隨水深吃水比的變化曲線(xiàn)

圖4 不同波浪頻率下m33隨水深吃水比的變化曲線(xiàn)

圖5 不同波浪頻率下m44隨水深吃水比的變化曲線(xiàn)

為說(shuō)明不同航速對(duì)附加質(zhì)量力(力矩)的影響,圖示了不同航速下附加質(zhì)量力(力矩)隨波浪頻率的變化曲線(xiàn)。由圖6～圖9可以看出,附加質(zhì)量力(力矩)的變化與航速及波浪頻率有關(guān)。就總體趨勢(shì)而言,低頻狀態(tài)下變化幅度明顯，當(dāng)頻率增加到一定大小后，變化趨勢(shì)逐漸平緩；m22和m44隨航速的增大而減??；m33在低頻時(shí)隨航速的增大而減小，高頻時(shí)隨航速的增大而增大；m35則隨航速的增大而增大。

圖6 不同航速下m22隨波浪頻率的變化曲線(xiàn)

圖7 不同航速下m33隨波浪頻率的變化曲線(xiàn)

圖8 不同航速下m35隨波浪頻率的變化曲線(xiàn)

圖9 不同航速下m44隨波浪頻率的變化曲線(xiàn)

大型船舶在進(jìn)入狹水道淺水域航行時(shí)，船舶周?chē)鲌?chǎng)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)使通過(guò)船底下面和船舶左右兩側(cè)的水流段面積減小、流速增加，致使船舶阻力增加、船底壓力下降、船舶的浮態(tài)發(fā)生變化、船體下沉、縱傾變化和操縱性能變差。為避免船舶觸底、擱淺或失控，船舶指揮人員在進(jìn)入該水域前應(yīng)對(duì)船舶在該水域航行時(shí)的富余水深進(jìn)行充分了解?；诖耍ㄟ^(guò)時(shí)域的分析方法對(duì)此船在狹水道淺水域航行時(shí)富余水深的時(shí)歷曲線(xiàn)進(jìn)行了仿真研究(水深吃水比為1.75,仿真時(shí)間為2 min),結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 富余水深的變化曲線(xiàn)

3 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用三維勢(shì)流理論研究某大型船舶在狹水道淺水域中航行時(shí)，在不同航速、水深吃水比下水動(dòng)力的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上采用時(shí)域分析方法計(jì)算了此船在特定環(huán)境要素下航行時(shí)的富余水深隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，解決大型船舶在狹水道淺水域狀態(tài)下航行時(shí)的水動(dòng)力計(jì)算問(wèn)題，對(duì)船舶在狹水道淺水域的航行具有一定的指導(dǎo)意義。不過(guò)，該仿真研究仍存在不足，如實(shí)際水道情況復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單地以規(guī)則面代替；實(shí)際波浪是隨機(jī)的非線(xiàn)性波而非規(guī)則的微幅線(xiàn)性波[10]。這些不足是下一步研究的重點(diǎn)。

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HydrodynamicCharacteristicsofLargeShipsSailinginNarrowandShallowChannels

WUXi,LIYuchen,HANXiaoguang

(Navy Marine Academy, Guangzhou 510430, China)

For studying the hydrodynamic characteristics of large ships sailing in narrow and shallow channels, the added mass forces(moments) of a large ship in different speed and water depths are calculated by means of three dimensional frequency domain potential flow theory. The curves of UKC vs time under the combined action of given wind, wave and current are further calculated, using the time domain analysis method. The comprehensive influences of the ship speed and water depth on the added mass force (moment) are summarized. Some guidance on optimizing ship speed and improving navigation safety are given.

waterway transportation; large ship； narrow channel； shallow water； hydrodynamic force

2014-04-29

吳 晞(1958—), 男，福建閩侯人，教授，主要從事艦船操縱與耐波性研究。 E-mail: gamiliyuchen@163.com

1000-4653(2014)03-0100-04

U611.32;U675.5+2

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