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浙江大学学报(工学版)  2021, Vol. 55 Issue (8): 1473-1481    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.08.008
土木工程、交通工程     
方形波浪中船舶运动特性及安全航行策略
黄松兴(),焦甲龙*(),陈超核
华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 510641
Ship motion responses in cross wave and related safe navigation strategy
Song-xing HUANG(),Jia-long JIAO*(),Chao-he CHEN
School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China
 全文: PDF(2670 KB)   HTML
摘要:

为了研究船舶在多向波与单向波中运动响应的差异性,基于计算流体动力学(CFD)方法和流体体积法(VOF)造波技术建立方形波浪的数值模拟方法. 采用动量源方法和强迫波力进行波浪叠加模拟方形波浪,采用重叠网格技术和动态流体物体相互作用(DFBI)模块研究S175船型在不同参数方形波浪中的运动响应,并将船舶在双向波浪和单向波浪中的运动响应进行对比分析,探究船舶在方形波浪场中不同航线下的运动特性. 研究表明,在大部分工况下,方形波浪中的船舶运动响应及甲板上浪较单向波浪中的大幅增加,其中船舶在方形波浪中出现明显的横摇运动,但合理选择航行路线可以使得船体运动及甲板上浪显著降低,从而提高船舶在方形波浪中的航行安全性, 为船舶遭遇方形波浪时的安全航行提供建议.

关键词: 方形波浪耐波性大幅运动甲板上浪计算流体动力学(CFD)    
Abstract:

A cross wave simulation method by computational fluid dynamics (CFD) method and volumn of fluid (VOF) wave-making technique was established to study the difference of ship motion responses in multi-directional and uni-directional waves. The momentum source method and wave forcing were used to superimpose waves to simulate cross wave. The motion behavior of a S175 ship in cross waves with different wave parameters was studied using overset mesh technique and dynamic fluid body interaction (DFBI) module. The ship motion responses in bi- and uni-directional waves were comparatively analyzed and the motion characteristics of ships on different navigational routes in a cross wave field were analyzed. Results indicate that the motion responses and green water on deck in bi-directional waves are generally much greater than those in uni-directional waves. And, the ship has obvious roll motion in cross waves. However, ship motions and green water on deck can be largely reduced by adopting the reasonably optimized navigational route and strategy, which would improve the navigation safety of the ship in cross waves and provide suggestions for the sailing safety when the ship encounters cross waves.

Key words: cross wave    seakeeping    large-amplitude motions    green water on deck    computational fluid dynamics (CFD)
收稿日期: 2020-07-29 出版日期: 2021-09-01
CLC:  U 661.1  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51909096);中央军委装备发展部“十三五”装备预研领域基金资助项目(61402070106);广东省基础与应用基础研究基金资助项目(2020A1515011181)
通讯作者: 焦甲龙     E-mail: 201820107670@mail.scut.edu.cn;jiaojl@scut.edu.cn
作者简介: 黄松兴(1996—),男,博士生,从事船舶计算流体力学研究. orcid.org/0000-0002-0097-2358. E-mail: 201820107670@mail.scut.edu.cn
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黄松兴
焦甲龙
陈超核

引用本文:

黄松兴,焦甲龙,陈超核. 方形波浪中船舶运动特性及安全航行策略[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(8): 1473-1481.

Song-xing HUANG,Jia-long JIAO,Chao-he CHEN. Ship motion responses in cross wave and related safe navigation strategy. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2021, 55(8): 1473-1481.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2021.08.008        https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2021/V55/I8/1473

图 1  S175船体模型
主要参数 数值
总长 LOA/m 4.610
两柱间长 L/m 4.375
型宽 B/m 0.635
吃水 T/m 0.2375
排水量 Δ/kg 370.49
重心距艉柱纵向距离 zg/m 2.125
重心距基线垂向距离 xg/m 0.2125
横向回转半径 kxx/m 0.241
纵向回转半径 kyy/m 1.052
表 1  S175主尺度及船型参数
波型 α λ/L ε H/mm Fn
单向波 0°、?45°、?90° 0.6、0.8、0.9、1.0、
1.1、1.2、1.5、2.0
? 120 0.25
双向波 ?45°/45°、?90°/0°、
?135°/?45°
0.6、0.8、0.9、1.0、
1.1、1.2、1.5、2.0
0 240 0.25
表 2  单向波和双向波的计算工况表
图 2  波浪相对船舶的传播方向角
图 3  流体域划分及边界条件
图 4  流体域网格划分
图 5  重叠网格及船体周围网格划分
图 6  CFD模拟波浪及浪高仪位置
图 7  单向波的初始化波形图
图 8  双向波的初始化波形图
图 9  单向遭遇波浪时历曲线
图 10  双向遭遇波浪时历曲线
图 11  双向遭遇波浪频域结果
图 12  船舶在双向波中的运动响应
图 13  船舶纵向运动幅值对比
图 14  对称波浪中的船舶纵向运动时历对比
图 15  甲板上浪情况对比
图 16  非对称波浪中的船舶运动时历对比
图 17  甲板上浪情况对比
图 18  浪向角−45°/45°的3种典型航线
图 19  不同航线的运动时历曲线
图 20  船舶运动姿态及甲板上浪
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