舭龍骨對船舶橫搖阻尼影響的水動力分析

劉暢　林南盛　林慰

摘 要：本文采用粘性 CFD 方法，在 Fluent 商業軟件平臺上研究沿海航標工作船中部若干典型橫剖面在設計狀態下進行強迫橫搖運動的水動力特性。通過獲取強迫橫搖運動下所受到的橫搖力矩，由擬合方法求解出這些典型橫剖面在安裝或不安裝舭龍骨情況下的橫搖附加阻尼，進而評估加裝舭龍骨裝置以減少船舶橫搖運動的效果。

關鍵詞： CFD方法；舭龍骨；橫搖附加阻尼

中圖分類號：U664.7+1 文獻標識碼：A

Abstract：With the commercial software Fluent， the viscous CFD method is employed to study the rolling hydrodynamic characteristics on several typical sections of the coastal navigation mark ship which is assumed in the forced rolling motion. According to the rolling moment obtained from the forced rolling motion， rolling damping is obtained through the numerical fitting approach for the typical sections， where the sections would be taken with bilge keel installed or not installed. Finally， the reduction of rolling effect is assessed by the installation of bilge keel.

Keyword： CFD method；Bilge keel；Rolling damping

1 引言

廣東沿海大型航標船主要用于起吊、維護保養廣東省沿海航道的浮標航標，同時又可以兼顧運輸浮標航標。由于沿海作業區海況復雜，為防止船舶在作業或運輸過程中發生劇烈橫搖運動，船型設計應盡量增大船舶橫搖阻尼，有效降低船舶的橫搖運動幅值。

舭龍骨（也稱減搖龍骨）作為減少船舶搖擺的簡便而有效的一種裝置，幾乎被所有海船所采用[1]。舭龍骨主要安裝在船舶中部 1/4 ～ 3/4 船長范圍內，其減搖作用的大小由舭龍骨的形狀、安裝位置、尺寸大小等決定。在舭龍骨安裝過程中，為得到較大的橫搖阻尼作用，在橫剖面上舭龍骨安裝的位置應在半寬線與基線的交點至船舶重心的連接線上，但不能超過船舶的半寬線與基線的范圍。

本文在綜合考慮船型設計和舭龍骨安裝工藝的基礎上，選取工作船中部 1/4 ～ 3/4 船長范圍內數個典型橫剖面，采用 CFD 方法在Fluent 商業軟件平臺上建立各個橫剖面的水動力數值模擬計算模型；基于工作船設計狀態下的吃水、給定重心高度和橫搖周期，對其進行強迫橫搖運動數值模擬，通過水動力分析擬合求解這些典型橫剖面在安裝或不安裝舭龍骨情況下的橫搖附加阻尼，分析加裝舭龍骨裝置降低船舶橫搖運動的效果。

2 數值計算方法

2.1 控制方程

3 數值計算模型及參數設置

3.1 數值計算模型

3.1.1 船舶橫剖面模型

舭龍骨主要設置在航標船中部的 1/4～3/4 船長范圍，本文選取中部第5、10、12、13、14站五個典型橫剖面，研究其在設計狀態下安裝或不安裝舭龍骨的橫搖運動特性。

3.1.2 舭龍骨模型及其參數

3.2 網格劃分及 CFD 參數設置

在處理程序 ICEM 上完成計算區域的水動力網格剖分，計算流域取為160 m × 95 m，采用非結構化網格進行剖分，以便在變化曲度較大的舭龍骨附近生成質量較好的網格。計算區域的范圍應盡量大以起到一定的消波作用，避免波遇到圍避面后產生二次反射干擾。

對計算區域設置邊界條件：底部為固壁邊界；其它為對稱邊界。

流場計算中壓力 - 速度采用SIMPLE 方法進行迭代求解，動量方程中的瞬態項采用一階隱式差分格式，對流項和擴散項的離散都采用二階迎風差分算法。計算中采用VOF方法追蹤自由液面的波動。經過反復試驗，時間步取周期的 1 / 400 ～ 1 / 200 有較好的計算速度和收斂性。在Fluent模擬過程中需采用動網格技術進行剖面運動時的網格重劃。

4 數值計算結果及分析

基于上述模型和參數設置，船舶橫剖面以5.732s為周期、0.1rad為幅值、3.486 m 為重心高度，在設計吃水狀態下以的運動規律進行強迫橫搖運動。

以第 10 站橫剖面為例，強迫橫搖運動模型如圖2所示。通過UDF獲取各個橫剖面模型在強迫橫搖運動下所受橫搖力矩的時間歷程，根據公式 （6） 求取其擬合函數，如圖3所示。進而可根據擬合函數的力矩幅值和公式 （7） 求取其響應的橫搖附加阻尼。如圖3所示力矩幅值為23.437 kN·m，附加阻尼為213.813 kN·s。

通過模擬計算，獲取其它各個橫剖面在設計狀態下安裝或不安裝型舭龍骨的橫搖力矩，并取其平穩時間歷程進行比較，其具體結果如圖4及表2所示。

從表2及圖4可看出：

1）各橫剖面不安裝舭龍骨時其橫搖力矩曲線相對不穩定，而安裝舭龍骨后的橫搖力矩曲線更加穩定；

2） 加裝舭龍骨可以大幅提高船舶的橫搖力矩，從而大幅增強其橫搖附加阻尼，各橫剖面增加效果可達 50% ～ 100%。

第 10 站計算橫剖面的流場圖如圖5所示。由圖5可看出，本文方法可以細致地捕捉到舭部和舭龍骨周圍產生的渦。由于船舶主要做小角度橫搖運動，其在自由液面的興波比較小，其渦的擴散比較明顯，而在舭龍骨附近，渦更加集中。

5 結論

本文通過數值模擬研究廣東沿海大型航標船中部數個典型橫剖面安裝或不安裝舭龍骨在強迫橫搖運動下的水動力特性。通過獲取各個橫剖面在強迫橫搖運動下所受的橫搖力矩，擬合求解出橫剖面在安裝或不安裝舭龍骨情況下的橫搖附加阻尼和無因次化阻尼。經比較可知，安裝舭龍骨可顯著增加船舶橫搖諧搖的附加阻尼系數，有效降低橫搖幅值。

參考文獻

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