基于CFD 方法的7800PCTC艏部結構波浪砰擊預報

周恩鑫，張吉萍，楊陽，夏小浩

（1.浙江海洋大學 船舶與海運學院，浙江 舟山 316022；2.舟山技師學院，浙江 舟山 316012；3.揚帆集團股份有限公司，浙江 舟山 316100）

砰擊現象是船舶在航行過程中常見的現象，這種局部的強度問題要給予重視[1]。王珂[2]利用有限元軟件對一艘LNG 船的艏部結構進行入水砰擊研究，分析了這艘船的縱向、橫向曲率以及入水速度對砰擊壓力值的影響；張智[3]利用Fluent 軟件，模擬不同高度自由下落的三維楔形體，得到其加速度、位移以及壓力分布隨時間的變化，并提出一種預報方法；陳震[4]基于有限體積法，通過改善球鼻艏的曲率分析影響砰擊壓力的因素；Meyerhoff[5]提出三維結構物在研究砰擊壓力時，需要根據其長寬比參數減小砰擊壓力，原因是三維特征的砰擊壓力具有衰減特性；Scolan[6]在他人研究基礎之上，基于擾動法，分析了軸對稱物體的砰擊，并在三維物體砰擊問題中應用。

1 砰擊壓力理論公式

沖量砰擊原理[7]中砰擊壓力受時間和位置影響，其計算公式如下：

對公式求導可得極值點，即砰擊發生的最大值和位置：

2 建立模型

2.1 船體外殼

7800 汽車運輸船尺度見表1，利用STAR-CCM+強大的前處理模塊導入全船濕表面模型。模型如圖1 所示。

表1 7800PCTC 主尺度

圖1 7800PCTC 整船模型

2.2 造波水池

三維數值水池的網格劃分采用自動網格。網格劃分如圖2 所示，船體采用DBFI 六自由度剛體運動模型建立，另外自由液面處也進行加密，加密高度約為一倍規則波波高[8]。

圖2 水池網格劃分示意圖

2.3 布置壓力監測點

為了更好地監測船舶外表面各部位的波浪砰擊壓力，以及具體分析壓力分布與波浪參數等因素的關系，本文選取了15 個代表性較強的監測點。

圖3 監測點布置圖

3 波浪統計參數工況

在方鐘圣[9]編寫的西北太平洋波浪統計集中對南海的區域劃分比較詳細且數據全面，是對中國南海海域的海浪資料最權威的統計。因此，本文選用西北太平洋波浪統計集來計算南海海域的海況，但同時由于缺乏極限海況下的波浪基本參數，因此，采用波陡近似原則，通過已知的南海百年一遇短期海況[10]，求出南海的隨機波波陡：

式中：Ss—隨機波波陡，即波高比波長；Hs—有義波高；Tz—平均跨零周期。根據已知的南海風暴短期海況Hs=13.3m，Tz=11s，代入式（3）得南海波陡=0.07。

規則波波高HMAX 與有義波高HS 的關系如下：

根據以上公式可以求得極限工況下百年一遇規則波波高24.7m，波浪周期11s，波陡0.07。

具體工況參數見下表2。

表2 波浪工況表

4 波浪砰擊結果模擬

4.1 砰擊壓力時歷曲線

4.1.1 低海況

圖4 所示為 T=9s、H=7.5m 時 FR222 以及船最首端下部監測點壓力時歷曲線。從圖中可以看出，越接近水面的結構位置處，其砰擊壓力越大，砰擊壓力大小與垂向高度緊密聯系，同時注意到P5、P10 和P14 出現了明顯的負壓現象。

圖4 T=9s、H=7.5m 時各站位監測點壓力時歷曲線

4.1.2 高海況

圖5 所示為極限海況時FR222 以及船最首端下部監測點壓力時歷曲線。

圖5 T=11s、H=24.7m 時各站位監測點壓力時歷曲線

在高海況下，各個站位測得的壓力峰值大小都高于低海況，砰擊壓力時歷曲線更為陡峭，此時，垂向砰擊壓力對總壓力大小的貢獻比例遠高于橫向砰擊壓力。船艏柱表現出明顯的砰擊周期現象，在30s 的監測時間中，出現三次周期峰值，與此時的波浪周期較為貼合，即每個周期出現一次砰擊。

5 總結

通過采用STAR-CCM+軟件模擬7800PCTC 在南海海域中航行時將要承受的波浪砰擊壓力，得出以下結論。

（1）在各海況下，對于同一高度的監測點，隨著監測點距離船首的增加，監測點砰擊壓力均出現減小的趨勢；在同一站位的監測點，隨著監測點高度的降低，波浪砰擊壓力不斷增加；在高海況下，波浪垂向砰擊壓力作用對砰擊壓力總大小的貢獻占比要高于橫向砰擊壓力；在各海況下，都出現明顯的負壓效應，CFD 技術為準確預測結構上的負壓位置，提供了強有力的幫助，能夠為防止負壓破壞結構提供依據。

（2）CFD 數值仿真技術預報波浪作用于船首結構的砰擊壓力，避免了理論研究無法準確描述負壓情況出現時間和空間方面的缺點，還可以得到詳細的流場數據如壓力場等；可視化程度高，能夠方便對砰擊壓力的產生機理和船體結構減損進行深入細致地分析。