摘 要

如何准确计算船舶的横摇阻尼，精确预报船舶在波浪中的运动以及减小船舶横摇运动一直是工程人员致力研究和解决的问题。本文以计算流体力学（CFD）为基础，基于商业CFD软件STAR-CCM 建立用于模拟船舶自由横摇运动的数值模型，对一简化驳船于静水中作自由横摇衰减运动进行了模拟，分析所得横摇衰减曲线，计算其线性阻尼系数和固有周期，并与相关的物理试验结果进行比较，论证了数值计算方法的合理性。然后，在上述计算模型的基础上模拟了带舭龙骨船体的自由横摇衰减运动，通过对比带舭龙骨和裸船体情况下的船舶横摇运动衰减曲线和阻尼系数以及不同工况下船舶舭部附近的涡量场，分析了舭龙骨的减摇机理。最后，针对舭龙骨高度、长度和安装角三个参数对舭龙骨减摇效果的影响进行了初步的探究，为舭龙骨的设计提供一些参考意见。

关键词：计算流体动力学；自由横摇衰减运动；横摇阻尼；舭龙骨

Abstract

How to accurately calculate the ship's roll damping, predict the ship's motion in the waves, and reduce the ship's roll motion have always been problems that engineers are dedicated to research and solve. In this paper, based on the computational fluid dynamics (CFD) method, a numerical model for simulating the free roll motion of a ship was established using the commercial CFD software STAR-CCM. First, a simplified barge was simulated by free roll decay motion in still water. The linear damping coefficient and natural period of the ship were obtained by analyzing the roll decay curve. The numerical results were compared with the physical test results. The comparison demonstrated the rationality of the numerical calculation method. Then, based on the above calculation model, the free roll decay motion of the hull with bilge keel was simulated. The ship's roll decay curve and damping coefficient of the bare hull and the hull equipped with the bilge keel were compared. The vorticity field nearby ship bilge under different working conditions and the anti-shake mechanism of bilge keel were analyzed. Finally, the influence of bilge keel parameters (i.e., height, length and installation angle) on the bilge keel anti-roll effect was preliminarily investigated. Some reference opinions were provided for the design of the bilge keel.

Keywords：Computational Fluid Dynamics；free roll decay motion；roll damping；bilge keel

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容 4

第二章 数值方法介绍 5

2.1 数学模型 5

2.1.1 流体运动方程 5

2.1.2 湍流模型 5

2.1.3 自由液面处理方法 6

2.1.4 边界条件 6

2.1.5 离散方法 7

2.2 船体运动数值计算 7

2.2.1 动网格技术 7

2.2.2 单自由度运动模块 7

2.3 本章小节 7

第三章 裸船体自由横摇的数值模拟 9

3.1 数值模型建立 9

3.1.1 模型选取 9

3.1.2 网格划分 9

3.1.3 初边值条件 10

3.2 模拟结果验证 11

3.2.1 网格独立性验证 11

3.2.2 时间步长独立性验证 13

3.3 数值模拟结果分析 14

3.3.1 横摇衰减曲线分析 14

3.3.2 固有周期分析 15

3.3.3 线性阻尼系数的确定 15

3.4 横摇幅度的影响分析 18

3.5 本章小结 20

第四章 带舭龙骨船体自由横摇的数值模拟 22

4.1 带舭龙骨船体自由横摇运动分析 22

4.1.1 计算模型 22

4.1.2 数值模拟流程 23

4.1.3 计算结果及分析 23

4.2 舭龙骨高度对横摇阻尼的影响 27

4.3 舭龙骨安装角对横摇阻尼的影响 29

4.4 舭龙骨长度对横摇阻尼的影响 30

4.5 本章小结 31

第五章 结论与展望 32

5.1 全文总结 32

5.2 展望 32

参考文献 34

致 谢 35

绪论

研究目的与意义

船舶在航行过程中，受外力和各种因素的影响，会产生多种形式的摇荡运动，包括横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇以及首摇。其中，横摇是最常见也是对船舶安全威胁最大的一种摇荡运动。对于船员来说，4°以内的横摇运动对生活没有太大的影响，4°～10°的横摇运动会使运动能力大幅下降，而10°以上的横摇运动会造成船上走动的困难，从而影响船员的正常工作及生活^[1]。对于船舶来说，横摇运动会增大航行阻力，降低船舶工作效率，限制部分海上特殊作业^[2]，船舶大幅度横摇还将引起抨击、甲板上浪、失速等一系列问题，甚至会导致船舶倾覆。

图1.1 “modern express”遭遇风暴后横倾

1999年，中国发生一起特大海难事故—“大舜”号^[3]海难造成船舶沉没，280多人死亡，直接经济损失约9000万人民币。引起事故发生的重要原因是船舶在大风浪中掉头导致船舶在横风横浪中航行，引起船体大角度横倾，同时又因为船载车辆系固不良而产生移动、碰撞，致使甲板起火，船机失灵，最终造成船舶倾覆翻沉。2008年，菲律宾“群星公主”号轮渡遭遇台风“风神”后发生倾覆。2016年，汽车运输船“modern express”在海上遭遇风暴后严重横倾，图1.1为其示意图，抵港时横倾近51°，在经历一个月后才被扶正。纵观历年的海难事故，船舶航行时的倾覆和翻沉事故大部分是由于大角度横摇运动引起的，因而船舶横摇预报就成了船舶工程界关注的热点，如何减小横摇运动成了工程人员致力研究和解决的问题。目前最常用的一种减摇方法就是在船上安装舭龙骨，实践证明，舭龙骨具有十分良好的减摇效果。于是，设计合理的舭龙骨，研究带舭龙骨船体的横摇阻尼具有重要的意义。