第１６卷第ｌ一２期２０１２年２月文章编号：１００７—７２９４（２０１２）０１－００２７－０９船舶力学ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｉｐＭｅｃｈａｎｉｃｓＶ０１．１６Ｎｏ．１－２Ｆｅｂ．２０１２浅水中会遇船舶水动力相互作用数值研究张晨曦８，邹早建ａ．ｂ，杨勇８（上海交通大学ａ．船舶海洋与建筑工程学院；ｂ．海洋工程国家重点实验室，上海２００２４０）摘要：浅水中邻近两船作相对运动产生的非定常水动力相互作用对于船舶的操纵性有重要影响。文章采用动网格技术，通过求解非定常ＲＡＮＳ方程，选取ＲＮＧ｜｜｝—口湍流模型，对两船在浅水中会遇的三维非定常粘性流场进行了数值模拟，计算了，其水动力相互作用；通过将计算结果与试验数据进行对比，验证了文中方法的有效性。在此基础上，分析了船舶在整个会遇过程中的受力特性，指出了会遇过程中船舶容易失控和发生碰撞的阶段，并通过分别对不同的船间横向间距、水深、船速和船长情况下的船一船水动力相互作用进行计算和结果分析，得出了以上四种因素对船间水动力相互作用的影响规律。关键词：船舶会遇；浅水；水动力相互作用；动网格中图分类号：Ｕ６６１．３文献标识码：ＡＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｎｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｉｎｓｍｅｅｔｉｎｇ。ｍｅｅｔｉｎｇｐｉｈｓ１＇ｏｌｌａｈｓｓｈａｌｌｏＷｗａｔ‘ｅｒＺＨＡＮＧＣｈｅｎ－ｘｉ＂，ＺＯＵＺａｏ－ｊｉａｎ‘ｂＹＡＮＧＹｏｎｇ。伍ＳｃｈｏｏｌｏｆＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＯｃｅａｎａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇ；ｂ．ＳｔａｔｅＫｅｙｌａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｈａｎｇｈａｉＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｓｔｅａｄｙｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｄｕｅａｔｏａｄｊａｃｅｎｔｓｈｉｐｓｍｏｖｉｎｇｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｉｎｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒｈａｓａｎ—ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｓｈｉｐｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ．ＢｙｕｓｉｎｇｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｅｓｈｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｓｔｅａｄｙＲＡＮＳｅｑｕａｔｉｏｎｉｎｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎｗｉｔＩｌａＲＮＧｋ一占ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌ．ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｕｎｓｔｅａｄｙｖｉｓｃｏｕｓｆｌｏｗａｒｏｕｎｄｔｗｏｓｈｉｐｓｍｅｅｔｉｎｇｉｎｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．Ｔｈｅｎｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｅｅｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｐｈａｓｅｄｕｒｉｎｇｗｈｉｃｈｔｈｅｓｈｉｐｍａｙｂｅｃｏｍｅｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅａｎｄｔｈｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎｍａｙｏｃｃｕｒｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｂｔａｉｎｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｔｅｒａｌｄｉｓｔａｎｃｅ，ｗａｔｅｒｄｅｐｔｈ，ｓｈｉｐｓｐｅｅｄａｎｄｓｈｉｐｌｅｎｇｔｈ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｓｅｆｏｕｒｆａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎａｒｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐｍｅｅｔｉｎｇ；ｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃｍｅｓｈ１引言随着航运业的快速发展，港口、航道内的船舶密集程度越来越高，航行船舶与其他船舶的会遇、超越变得不可避免，过往船只对停泊的船舶产生的水动力干扰也不容忽略；另一方面，随着人类开发海收稿日期：２０１１—０７—１９基金项目：国家８６３计划课题（２００７ＡＡｌｌＺ２５０），国家自然科学基金项目（５０７７９０３３）作者简介：张晨曦（１９８５一），男，硕士研究生；邹早建（１９５６一），男，上海交通大学教授，博士生导师，Ｅ－ｍａｉｈｚｊｚｏｕ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃａ。万方数据船舶力学第１６卷第１－２期洋步伐的加快，海上补给以及两船之间原油、天然气等货物的过驳输运等水上作业日益增加，也使船船之间或船舶与其它海洋结构物之间的水动力干扰问题呈现多样化。邻近两船在靠近航行时，由水动力相互干扰产生的偏航力和力矩会很大程度上影响船舶的正常航行，严重的甚至会使船舶失去控制导致碰撞，造成海难事故。随着人们对于海上安全的关注程度不断提高，和船舶航行安全密切相关的船舶操纵性也日益得到重视。而船舶操纵性会受到上述各种情况下船舶与其他船舶或海洋结构物的水动力相互作用的不利影响，因此这些情况下的水动力干扰问题成为了当前的研究热点。不仅如此，随着现代船舶向大型化发展，相应发展较慢的港口、航道相对变窄、变浅，船舶经常需要靠近其他船舶航行，船舶之间的水动力干扰作用显著，带来了严峻的航行安全问题，也使研究船舶之间的水动力相互作用变得更加重要。研究船舶之间的水动力相互作用通常可以采用模型试验方法和理论计算方法。国外学者很早就对两船水动力干扰问题进行了试验研究。采用模型试验方法，ＮｅｗｔｏｎＩｌＪ首先研究了深水中两船相互超越的问题，Ｍｔｔｌｌｅｒ【２ｌ研究了两船在狭窄航道中的会遇与超越问题，Ｒｅｍｅｒｙ［３】给出了航行船舶对一系泊船舶的水动力影响，Ｄａｎｄｌ４ｌ研究了沿两平行航线会遇与超越的两船之间的相互作用。近年来，Ｖａｎｔｏｒｒｅｌ５１通过约束模试验全面研究了各种情况下的两船水动力相互作用。在理论计算方面，两船非定常水动力干扰问题的研究大多采用势流方法。Ｔｕｃｋ和Ｎｅｗｍａｎｔ６１、Ｙｅｕｎｇ［ａ、Ｋｉｊｉｍａｌ８Ｉ、Ｔｉｍ［９Ｊ等人利用基于细长体理论的匹配渐进展开法分别对开阔水域浅水和深水中两船之间水动力相互作用、浅窄航道中两船之间水动力相互作用以及两船水动力相互干扰下的下沉与纵倾进行了研究；郑才土１１０ｌ利用奇点叠加法对浅窄航道中的两船水动力相互干扰进行了研究；张谢东等人Ｉ¨。１２】利用边界元方法研究了浅水中两船超越和会遇的情况；陈波和吴建康ｆ１３Ｊ利用Ｇｒｅｅｎ—Ｎａｇｈｄｉ方程，考虑波浪影响研究了两船交错运行的波浪干涉作用。近年来，随着ＣＦＤ技术的不断发展，对于船舶相互作用的研究也逐渐转向粘性流方向。Ｃｈｅｎ等人【１４１利用浸入边界法，通过求解ＲＡＮＳ方程，考虑风和岸壁的影响研究了浅水中两船和多船水动力相互干扰问题。本文应用ＦＬＵＥＮＴ软件，采用动网格及滑动交界面技术，对两船在浅水中会遇的三维非定常粘性流场进行了数值模拟，计算了船一船水动力相互作用。通过将计算得到的水动力与试验数据对比，验证了本文方法的有效性。进而，通过对比整个会遇过程中船一船水动力相互作用随船舶横向间距、水深、船速以及船长的变化规律，分析了这些因素对两船之间水动力相互作用的影响。本文研究结果对于指导浅水航道中的船舶安全操纵具有一定的参考价值。２数学模型２．１坐标系考虑两船在浅水中分别以定常航速Ｕ和职沿平行直线相向而行的会遇情况，如图ｌ所示。两船（Ｓｈｉｐｌ和Ｓｈｉｐ２）的横向间距为却，纵向间距为ＳＴ，水深为ｈ。作用在Ｓｈｉｐｌ上的横向力和首摇力矩分别为‘和Ｍ。，作用在Ｓｈｉｐ２上的横向力和首摇力矩分别为Ｆ２和Ｍｓ。采用三个右手直角坐标系：空间固阢ｆｙＤＬ＿．ｘＳｈｉｐ２丁一ｓｐ图１坐标系Ｆｉｇ．１Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｓ万方数据第ｌ一２期张晨曦等：浅水中会遇船舶水动力相互作用…２９定坐标系ｏ－ｘｙｚ、固定在Ｓｈｉｐｌ上并以ＵＩ运动的运动坐标系０１吨ｌｙｌｚｌ和固足在Ｓｈｉｐ２上并以Ｕ２运动的运动坐标系０２吲２ｙ２２２，其中ｘｏｙ平面、ＸｌＯ。ＹＩ平面和Ｚ２０２Ｙ２平面均位于无扰自由面上。在运动初始时刻，空间固定坐标系的原点位＝ｙ＝＜Ｓｒｏ／２，Ｓｐ／２，Ｏ），Ｓ％为初始纵向间距。２．２控制方程由于两船在会遇状态下的船速相对于正常航行状态下的船速较低，因此本文忽略兴波的影响，对自由面使用刚性自由面假定，整个流场属于单相、三维、粘性和非定常的不可压缩流体流动。对湍流的模拟采用雷诺平均方法，在空间固定坐标系下，控制方程为如下连续性方程和动量方程：当＝ｏ溉ｉ（１）式中，鼍为坐标分量，Ｐ为流体质量密度，吨为平均速度分量，Ｐ为流体平均压力，叩弼为雷诺应力项。综合考虑计算精度和计算时间，本文选择ＲＮＧ后吖两方程湍流模型进行计算。ＲＮＧｋ－８湍流模型的湍流动能ｋ及湍流耗散率占方程如下：ｐ誓中吩等一器＋毒ｋ考叩弼）（２）掣＋驾警＝砉卜％等］心俨ｃ。鹊（等＋瓦０ｕｓ』瓦０ｕｉ，以甲唾２（３）必Ｏｔ＋掣＝毒卜％篝卜譬Ｇ。一劬譬式中Ｇ。为平均速度梯度引起的湍流动能产生项，表达式为：其中以为湍流粘度系数，其他项的表达式以及常数为：（４）（５）／ｚ够－３ｔｔ＋ｐ．，，ｑ－－ｏ．０８４５，％＝％＝１．３９ｃ２：Ｃ１。一＿丁（１－’／／ｒ／ｏ），ｃｌ。＝１．４２，乞＝１．６８，ｒ／ｏ－．Ｍ．３７７ｌ＋／９ｒ／ｆｌ＝Ｏ．０１２，７／＝（弛』‘Ｅｉ∥彪了ｋ，巨户上２３数值方法３．１边界条件及网格划分ｆ／堕０ｘｓ＋鲁）本文研究的是浅水中两船会遇问题，前后左右流域范围应设置得足够大以消除边界对流场的影响。计算中设定船体表面和水底面为无滑移壁面边界。由于本文采用的是固定坐标系且考虑的是静水中的两船会遇问题，所以，对于流域左右两侧的边界，取其距离船体足够远，可以认为对流场不产生干扰，因此也设置为无滑移壁面边界；对于流域前后的边界，将其取在距离船体前后足够远的地方，流动充分发展，因而在其上设定压力出口边界条件。同时，考虑到刚性自Ｆｉｇ．２图２边界条件Ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ万方数据船舶力学第１６卷第１－２期由面假定，将自由面（即计算域上表面）设置为对称边界。经数值比较验证，本文计算流域取左右宽度为２．６倍船长，前后长度为８倍船长的范围；两船初始位置以区域中心点等距离放置。边界条件的设定如图２所示。船体周围采用四面体网格与六面体网格的混合网格：在船体首部和中部采用六面体网格；在船体尾部几何比较复杂的部分采用适应性强的四面体网格，同时也便于控制动网格区域中网格的数量；在其余区域采用六面体网格。３．２动网格方法动网格方法适合用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题，包括预定义的运动和事先未知的运动。对于动网格，ＦＬＵＥＮＴ提供了三种网格更新方法：弹簧光顺模型（ＳｐｒｉｎｇＳｍｏｏｔｈｉｎｇ），局部重划模型（ＬｏｃａｌＲｅｍｅｓｈｉｎｇ）以及动态层模型（Ｌａｙｅｒｉｎｇ）。结合本文所考虑的问题，船体沿固定直线单自由度运动，在动网格区域中船体前后使用的是六面体网格，适合采用动态层模型来进行网格更新。动态层模型的基本原理为根据运动网格在相邻边界处的高度变化来对边界处网格层进行分割或合并，如图３所示。缩小▲边界运动方向Ｉ第ｊ层网格工６扩大Ｉ图３动态层模型不恿图Ｆｉｇ．３Ｓｋｅｔｃｈｏｆｌａｙｅｒｉｎｇ第ｊ层网格作扩大变化时，如果其高度的最大值‰大于临界值（１＋ａ）８０，则根据设定将其划分为两层；第ｊ层网格作缩小变化时，如果其高度的最小值氏。小于临界值Ｏｔｃ８０，则将其与上一层网格合并。在此６。为理想网格单元高度，ｎ。，ａ。分别为分割因子与合并因子。同时，为了保证计算的稳定和精度，本文船体周围的网格保持不变，而在前后两端采用顶部铺层的动态层模型。由于两船只是沿固定直线作相对运动，因此只需在流域中分别以两船航行的直线为中心，将宽度稍宽于船体的区域设定为动网格区域，如图２所示。动网格区域内的网格随船体整体移动，在船体前后的流域边界处进行分割与合并；其他区域为静止区域，动网格区域与静止区域之间采用滑动网格交界面技术进行数据交换。３．３ＵＤＦ的使用本文使用用户自定义函数（ＵＤＦ），通过调用ＦＬＵＥＮＴ自带的ＤＥＦＩＮＥ宏实现以下目标：（１）对两船的速度进行设定；（２）考虑到随着船体的移动，力矩中心也随之移动，以计算时间和船速为参数设定力矩中心的位置；（３）调用ＦＬＵＥＮＴ自带函数对每一时间步中船体表面所受的力与力矩进行计算；（４）将所计算的结果写入文件以便进行分析处理。３．４数值求解方法本文采用ＦＬＵＥＮＴ软件，以有限体积法离散流体运动的控制方程和湍流方程，其中扩散项采用中心差分格式，对流项、湍流动能方程以及湍流耗散率方程采用二阶迎风差分格式，速度、压力的耦合迭代采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法。４方法的验证与计算结果影响因素的分析４．１方法验证与计算结果分析由于缺乏试验船型数据，本文计算所用船型为和试验船型相近的船型。计算及试验所用的两艘船万方数据第１—２期张晨曦等：浅水中会遇船舶水动力相互作用…３ｌ的船型有关参数见表ｌ（其中宰为用于水动力相互作用比较验证的船型）。表１中，Ｌ，Ｂ和Ｄ分别为船长、船宽和吃水；ＣＢ为方形系数，Ａ为缩尺比。表１计算及试验所用船型主要参数Ｔａｂ．１Ｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｈｉｐｓｕｓｅｄｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ本文在模型尺度下进行了计算，计算中两船模航速相等，其傅汝德数分别为０．０８６６和０．０８５计算工况满足实船和船模的傅汝德数相等。３；为了便于比较，计算结果表达成无因次的形式。作用于船上的横向力、首摇力矩以及纵向距离的无因次表达为：ｃ，２骊Ｆ了，ｑ２再Ｍ面∥２再Ｓ而Ｔ式中，Ｆ，Ｍ分别为横向力与首摇力矩，Ｕ为船速；船间纵向距离Ｓｒ在会遇前定义为负值；下标１和２分别表示Ｓｈｉｐｌ和Ｓｈｉｐ２。图４和图５给出了计算得到的船舶所受横向力和首摇力矩与试验结果的对比。从图中可以看出，计算结果与试验结果吻合较好。；～与—代｛卵二。Ｆ！ｉ嫩．ｈ础·Ⅳ；…芗。’’‘ｊ』『、一Ｃ■．……‘Ｅ印．‰．曲．１·Ｉ·螅ｍ暑一一０．０６｛ｉＶ．印·……／、＼Ｃ－一ＣａＩ．｛麓‘＇一ＴＳ列汐盼ｌ琴／；－０．Ｏ●·ｌ—图４横向力系数计算值与实验值的比较Ｆｉｇ．４Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｗａｙｆｏｒｃｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ图５首摇力矩系数计算值与实验值的比较Ｆｉｇ．５Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｙａｗｍｏｍｅｎｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ如图４所示，横向力的受干扰范围大致为ＳＴ’＝一２－２，并且其变化经历了三次极值：在ＳＴ’＝一２～一０．８处为正，并不断增加；在船首刚刚交会后（ＳＴ’一一０．８３）达到极值并迅速减小，于ＳＴ’２—０．４３处过零后直至两船船舯纵向位置重合附近（ＳＴ’－－－０）达＿到负的最大值，其幅值为前一次极值的１．６倍以上；后半段基本上是一个对称的过程，但从相位上看稍有推迟，从负的极值上升到ＳＴ’一０．６处改变方向，在ＳＴ’一０．９附近达到正的第三个极值，但幅值只有第一个极值的１／４；之后随着继续航行，横向力趋向于零。从图５可以看出，首摇力矩的变化比较复杂，受干扰范围大致也为ＳＴ’＝一２—２，有四次极值，其中第一次极值的幅值明显大于其他三次：在ＳＴ’＝一２～０．９的范围内，力矩为正，并不断增加至ＳＴ’一０．９处到达极值后迅速下降，在ＳＴ’一一０．４５处转变方向并于ＳＴ７一一０．２３处达到负的第二个极值；随着两船万方数据船舶力学第１６卷第１－２期进一步接近，茸摇力矩增加至ＳＴ’ｓＯ．３３时达到正的第三个极值，之后又继续下降，在ＳＴ７—０．９处达到负的第四个极值；最后随着两船距离的增加趋于零。与横向力的变化对比，首摇力矩的第一个极值发生在横向力第一个极值附近，第二个极值与横向力第一个过零点基本同步，之后第三个极值稍早于横向力第二个过零点，最后一个极值与横向力第三个极值基本同时出现。结合横向力和首摇力矩的变化曲线来看，ＳＴ’一１—１范围是两船会遇过程中的危险区间：首先，在此范围前段（ＳＴ’一１～０．５），船舶所受横向力和首摇力矩都处在第一个极值点附近，极易出现船舶本身的控制力不足以抵消干扰力的情况而造成失控。之后在ＳＴ’－－０．５—０的过程中横向力迅速下降，力矩也达到了负的第二个极值（ＳＴ’一一０．２３），此时横向吸引力虽然没有达到最大值，但也已经超过极值的一半，因此非常容易引起船舶的相互吸引而导致船首碰撞；在后半段，在吸引力还没有完全消失的时候，力矩又达到了正的第三个极值（ＳＴ’一Ｏ．３），这时对应两船船体后部相对的状态，容易发生船尾的相互碰撞。图６Ｆｉｇ．６Ｓｒ一１．６７３时的无扰自由面上压力分布Ｐｒｅｓｓｕｒｅａｔｏｎ图７Ｓｒ：＿０．８”时的无扰自由面上压力分布Ｆｉｇ．７Ｐｒｅ％ｔｕ＇ｅｍｏＤｔｈｅｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｔｈｅｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅＳｒ＝一１．６７３Ｓｒ＝－０．８２７图８ＳＴ’：００１９时的无扰自由面上压力分布Ｆｉｇ．８Ｐｒｅｓｓｕｒｅａｔ图９ｓｒ：０．８６５时的无扰自由面上压力分布Ｆｉｇ９ＰｒｅｓｓｕｒｅａｔｏｎｔｈｅｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｔｈｅｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅＳＴ＇＝００１９Ｓｒ－－０．８６５用１０ＳＴ’＝１．７１ｌ时的无扰自由面上压力分布Ｆｉｇ．１０Ｐｒｅｓｓｕｒｅａｔ图１１Ｓｒ＝２５５７时的无扰自由面上压力分布Ｆｉｇｌ１ＰｒｅｓｓｕｒｅａｔｔｈｅｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｔｈｅｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅＳｒ’＝１７１１Ｓｒ＝２．５５７万方数据第１－２期张晨曦等：浅水中会遇船舶水动力相互作用…图６至图１１给出了不同时刻无扰自由面上的压力分布图，其中颜色越深表示该区域压力值越小。从图中可以看出，随着两船的接近，船体两侧的压力差也不断变化。按照前进方向，船体在接近过程中右侧压力先是逐渐变大，此时横向力为正并经历第一次极值；接下来随着两船纵向距离的进一步减小，右侧压力迅速减小并远低于左侧压力，在两船平行时达到吸引力的极值；之后，右侧压力逐渐增加并再次超过左侧压力，出现第三个极值，最后两侧压力随着两船距离的增加而趋于平衡。４．２船间水动力干扰的影响因素分析在此就两船横向间距、水深、两船相对速度以及船长的变化对浅水中会遇船舶船间水动力干扰的影响进行分析。这里使用两艘相同的ＫＣＳ船进行计算，只给出Ｓｈｉｐｌ的受力计算结果。表２给出了计算工况。表２不同参数的计算工况Ｔａｂ．２Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｖａｒｉａｔｉｏｎ图１２和图１３给出了不同横向间距下的船舶所受横向力和首摇力矩系数曲线。从图中可以看出，横向间距的减小对横向力和首摇力矩的每个极值都起到了放大作用，而且距离越小放大作用越明显。从相位上看，横向力的第一个极值和第三个极值的出现时刻随着横向间距的减小分别推迟和提前，第二个横向力的极值出现的时刻基本相同。首摇力矩的相位变化也有相同的规律，中间的两个较小的极值的相位基本不变，而前后两个极值的出现分别随着横向间距的减小而推迟和提前。ｏ，／三泸；ｓｒｊ八‘嘲·／Ｘ，、＂５‘詹ｋ一。、…Ｉｋ．’醛｜：“㈠．＇’．｝－Ｉ．５－捧鍪；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ印／三二：牡甜…驴０‘乩；／，．、、卜。：玉‘。１Ｉ两露卜’扩＿ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ印图１２不同横向间距下的横向力系数Ｆｉｇ．１２Ｓｗａｙｆｏｒｃｅｃｏｅｔｔｌｃｉｅｎｔａｔ图１３不同横向间距下的首摇力矩系数Ｆｉｇ．１３Ｙａｗｍｏｍｅｎｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｔ图１４和图１５给出了不同水深情况下的船舶横向力和首摇力矩系数曲线。从图中可以看出，与横向间距的变化类似，水深的减小对于两船的水动力干扰同样起到了放大作用，而且水越浅，放大作用也越明显。由图１５可知，水深对首摇力矩的第一个极值和最后一个极值的幅值的影响比较明显，对于中间两个极值附近范围的影响相对较小。从极值出现的时刻看，水深的影响与横向间距的影响稍有不同：就横向力而言，不同水深对于各个极值出现的时刻基本没有影响；就首摇力矩而言，水深的变化只对第二、三次极值出现时刻有些影响，对于其他两次极值的影响较小。图１６和图１７给出了船速比的变化对两船水动力干扰的影响。从图中可以看出，随着Ｓｈｉｐ２船速的增加，Ｓｈｉｐｌ船的受力会被明显放大，而且速度越快，放大作用越明显。从极值出现的时刻看：随着船速的增加，Ｓｈｉｐｌ所受横向力的第二次极值出现的时刻不变，前后两个极值出现的时刻分别稍有提前和推迟；首摇力矩的前两个极值和后两个极值的出现时刻随着速度的增加分别提前和推迟。万方数据船舶力学第１６卷第１－２期Ｌ’，；二国三ｓｒ·Ａ左ｊ版：逄ｂ。ｉ懈心０／∥：涎‘Ａ’…～胁２∞ｊ。Ｋ—Ｊ瓢ｎ‘船：ｔＩ。－０矗·｜：。、罗萋Ｆｉｇ．１５……一ｈ／Ｄ＝１．鼍５’‘。厂。眵尹¨ｏ。图１４不同水深下的横向力系数Ｆｉｇ．１４Ｓｗａｙｆｏｒｃｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈ／Ｄ图１５不同水深下的首摇力矩系数Ｙａｗｍｏｍｅｎｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈ／Ｄ；ｓ二‘。，矗鼍二盆哆０．６－。骚彳；—ｂ、ｏ，、ｐ一·ｏ≥：：：～ｊＺＩ、、／．·。‘囊∥，，·麓，．·７，ｏ／６０．０■——叫Ｕ１２０．５…一叫Ｕ２１．０，、……ｕ／ｕ，２１·２５弘，？ｆｕ｛Ｕ芦．一１－－－’ｕ／ｕ，＝１．０ｔ．ｉ１卜‘－ｏＪ．－·‘ｉ，．．．‘‘／？……Ｕｚ／Ｕ，：Ｉ．２５……ＵＯＵ一．５ｎ１０·州矗《：：，／飞．多”、漶；玉‘。蒋歹、℃．．．·／Ｉ毫∞ｊ－ｄｎ６．、．．．，，．．．ｊ……叫Ｕ１２１．５一·１．２ｊ．．，八ｎ∞：、’．．‘Ｊ、Ｉ、，／，一、＼图１６不同船速比下的横向力系数Ｆｉｇ·１６Ｓｗａｙｆｏｒｃｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔ图１７不同船速比下的首摇力矩系数Ｆｉｇ．１７Ｙａｗｍｏｍｅｎｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖ２／ｖ，ｕ／ｕｌ图１８和图１９给出了船长比的变化对船间干扰力的影响。这里的工况是保持Ｓｈｉｐｌ的船长不变，按照比例缩放Ｓｈｉｐ２的大小。从横向力的对比图可见，随着Ｓｈｉｐ２船长的增加，Ｓｈｉｐｌ所受横向力在各时刻的绝对值也变大，各曲线交点在过零点附近；由首摇力矩的对比图可知，除了在第三个极值附近各曲线几乎重合以外，Ｓｈｉｐ２船长的增加对于其他三个极值都起到了不同程度的放大作用，其中第一个极值放大最明显，其次是第四个极值。船长的变化总体来说对横向力和首摇力矩极值的出现时刻影响较小。；奠三｛·；ｕ，卵’丫ｌ处／、０．０８．警“．ｏ．叭｜；罗氢ｉ∥二一。℃八’℃』ｓｒ‘／：，、、＼／，’．．．ｊ＼ｎ∞ｊ——Ｌ１红２０．８一＿’Ｌ，％＝０．ｇＬ…·‘Ｌ，％＝＇．０～…工，％＝１．１殛罗。’』眵汐图１８不同船长比下的横向力系数Ｆｉｇ．１８Ｓｗａｙｆｏｒｃｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔ￡ｌ亿２图１９不同船长比下的首摇力矩系数№．１９Ｙａｗｍｏｍｅｎｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｔ·ｄｉｆｆｅｒｅｎｔＬＩ／Ｌ２万方数据第１—２期张晨曦等：浅水中会遇船舶水动力相互作用…３５５结论本文针对浅水中两船会遇问题，采用ＣＦＤ软件ＦＬＵＥＮＴ，选取ＲＮＧ｜｜｝嵋湍流模型。对非定常ＲＡＮＳ方程进行求解，应用ＵＤＦ和动网格技术，在刚性自由面的假定下进行了粘性流场数值模拟和船间水动力相互作用计算。主要结论如下：（１）通过将计算结果与试验结果进行对比，验证了本文方法能够较好地应用于计算两船会遇状态下的水动力相互作用。（２）对会遇过程中横向力和首摇力矩变化情况的分析表明，Ｓｒ＝一１—１为两船会遇过程中的容易失控和发生碰撞的阶段。（３）分别对比浅水中两船会遇情况下的横向力和首摇力矩计算结果随船间横向间距、水深、船速及船长的变化规律，表明这四种因素对于船舶会遇情况下的水动力相互作用都有着重要的影响。本文方法及研究结果可以为研究复杂的船间水动力干扰问题提供参考，为浅水航道中船舶安全操纵提供理论依据。参考文献：【１】Ｎｅｗｔｏｎ【２】Ｍａｉｌｅｒ【３】Ｒｅｍｅｒｙ【４】ＤａＭＲＮ．Ｓｏｍｅｎｏｔｅｓｏｎｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓｂｅｔｗｅｅｎｓｈｉｐｓｃｌｏｓｅａｂｏａｒｄｉｎｄｅｅｐｗａｔｅｒ［Ｃ］／／ＦｉｒｓｔＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＮａｖａｌＭａｎｅｕｖｅｒａｂｉｈｔｙ．ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎＤＣ．１９６０：１—２４．Ｅ．ＵｎｔｅｒｓｕｃｈｕｎｇｅｎｔｉｂｅｒｄｉｅｇｅｇｅｎｓｅｉｔｉｇｅＫｕｒｓｂｅｅｉｎｆｌｕｓｓｕｎｇｙｏｎＳｃｈｉｆｆｅｎａｕｆＢｉｎｎｅｎｗａｓｓｅｒｓｔｒａｓｓｅｎ［Ｊ１．ＳｅｈｉｆｆｕｎｄＨａｆｅｎ，１９６７，１９（６）：３９３－４０６．ＧＦＭ．Ｍｏｏｒｉｎｇｆｏｒｃｅｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｐａｓｓｉｎｇｓｈｉｐｓ［Ｃ∥ＯｆｆｓｈｏｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｄａｌｌａｓ，１９７４，ＰａｐｅｒＮｏ．２０６６，１９７４．ＩＷ．Ｓｏｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｈｉｐｍｏｄｅｌｓｐａｓｓｉｎｇｏｎｐａｒａｌｌｅｌｃｏｕｒｓｅｓ［Ｒ］．ＮａｔｉｏｎａｌＭａｒｉｔｉｍｅＩｎ·ｓｔｉｔｕｔｅ，１９８１，ＲｅｐｏｒｔＲ１０８．【５】Ｍａｒｃ【６】ＴｕｃｋＶａｎｔｏｒｒｅ，ＥｒｉｋＬａｒｆｏｒｃｅ，ＥｌｌａｄａＶｅｒｚｈｂｉｔｓｋａｙａ．Ｍｏｄｅｌｔｅｓｔｂａｓｅｄｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｓｈｉｐ－ｓｈｉｐｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅｓｆｏｒｓｉｒｅ－ｕｌａｔｉｏｎｐｕｒｐｏｓｅｓ［Ｃｙ，ＩＭＳＦ－２８ｔｈＡｎｎｕａｌＧｅｎｅｒａｌＭｅｅｔｉｎｇ．Ｇｅｎｏｖａ，Ｉｔａｌｙ，２００１．ｓｈｉｐｓ［Ｃ］／／１０ｔｈＯＮＲＥＯ，ＮｅｗｍａｎＪＮ．ＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＮａｖａｌＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，Ｍａｓｓ．ＵＳＡ，１９７４：３５－７０．［７】ＹｅｕｎｇＲＷ．Ｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｓｌｅｎｄｅｒｓｈｉｐｓｉｎｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，１９７８，８５：１４３－１５９．【８】８ｍｊｉｍＫ．ＭａｎｏｅｕｖｍｂｉｌｉｔｙｏｆｓｈｉｐｓｉｎｃｏｎｆｉｎｅｄｗａｔｅｒｔＣｌ／／ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆＳｈｉｐｃｏｕｒｓｅｓ田．ＯｃｅａｎＭａｎｏｅｕｖｒａｂｉｌｉｔｙ．Ｌｏｎｄｏｎ，１９８７。ＰａｐｅｒＮｏ．２０，１９８７．【９】Ｇｏｕｒｌａｙ１１２７．Ｔ．ＳｉｎｋａｇｅａｎｄｔｒｉｍｏｆｔｗｏｓｈｉｐｓｐａｓｓｉｎｇｅａｃｈｏｔｈｅｒｏｎｐａｒａｌｌｅｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，３６：１１１９一【ｌＯ］郑才土．浅水中船舶相互作用的一种计算方法叨．船舶工程，１９９４（６）：８－１４．【１１】张谢东，刘祖源，吴秀恒．船舶超越时相互作用力理论计算叨．武汉交通科技大学学报，１９９７，２１（３）：２３６－２４１．【１２】ＺｈａｎｇＸｉｅｄｏｎｇ，ＷｕＸｉｕｈｅｎｇ．Ｓｔｕｄｙｏｆｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｆｏｒｃｅｓｏｆｓｈｉｐｓｉｎｎａｎ帕ｗｗａｔｅｒｗａｙ叨．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｅｓ，Ｓｅｒ．Ｂ，２００３。４：“３一１１７．【１３】陈波，吴建康．浅水域中两船交错运行时的非定常波浪干涉［Ｊ】．水动力学研究与进展，Ａ辑，２００５，２０（４）：４８６－４９１．【１４】ＣｈｅｎＨＣ，ＬｉｕＴ，ＨｕａｎｇＥＴ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｈｉｍｅｒａＲＡＮＳｏｆｔｈｅＴｗｅｌｆｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｕｈｉｐｌｅ－ｓｈｉｐｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｉｎａｎａｖｉｇａｔｉｂｎｅｈａｎ—ｎｅｌｌＣ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ２６—３１．ＯｆｆｓｈｏｒｅａｎｄＰｏｌａｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｋｉｔａｋｙｕｓｈｕ，Ｊａｐａｎ，２００２：万方数据浅水中会遇船舶水动力相互作用数值研究
作者：作者单位：
张晨曦， 邹早建， 杨勇， ZHANG Chen-xi， ZOU Zao-jian， YANG Yong
张晨曦,杨勇,ZHANG Chen-xi,YANG Yong(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海,200240)， 邹早建,ZOU Zao-jian(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240)
船舶力学
Journal of Ship Mechanics2012,16(1)
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引用本文格式：张晨曦.邹早建.杨勇.ZHANG Chen-xi.ZOU Zao-jian.YANG Yong 浅水中会遇船舶水动力相互作用数值研究[期刊论文]-船舶力学 2012(1)
