李智生，孫 翱，劉 可，李 釗

(1.海軍91550部隊(duì)，遼寧大連116026;2.二炮駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北石家莊050002)

0 引言

艦船耐波性的計(jì)算，在線性范圍里，其誤差主要來自于海浪譜［1］。而即時(shí)獲取當(dāng)前海浪譜的計(jì)算方法的前提是已知艦船搖蕩響應(yīng)幅值算子，響應(yīng)幅值算子的獲取通常采取勢(shì)流理論計(jì)算和船模水池試驗(yàn)這種兩方法。但兩種方法都有其各自的局限性，如勢(shì)流理論計(jì)算未考慮波浪與船體的粘性作用;船模水池實(shí)驗(yàn)提取幅值響應(yīng)算子費(fèi)用高、效率低(尤其對(duì)不規(guī)則波而言)［2－5］。

本該提出一種通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法獲得艦船搖蕩響應(yīng)幅值算子的方法，即對(duì)艦船在長(zhǎng)峰不規(guī)則白噪聲波中頂浪縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過一次船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬，即可在較寬的頻率范圍獲得多個(gè)艦船搖蕩運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)幅值算子。

1 基于白噪聲波譜的長(zhǎng)峰不規(guī)則波生成

1．1 基于白噪聲波譜的長(zhǎng)峰不規(guī)則波數(shù)值波浪水池構(gòu)建

根據(jù)能量一致原則確定白噪聲波譜。船舶在波浪中的搖蕩程度與波浪的能量有關(guān)，而實(shí)際海浪譜中并沒有白噪聲譜，所以在模擬以白噪聲譜為波譜的長(zhǎng)峰不規(guī)則波時(shí)必須以能量為主要參數(shù)，否則極有可能出現(xiàn)艦船的非線性搖蕩現(xiàn)象［6－8］。

確定有義波高h(yuǎn)1/3后，根據(jù)式(1)確定其零階譜矩，即以h1/3為有義波高的非規(guī)則波能量。

白噪聲波譜可近似看成以所模擬的頻率ω范圍為底邊的矩形，其高為譜密度函數(shù)值 S(ω)［9－11］。

下面基于粘性流理論構(gòu)建長(zhǎng)峰波數(shù)值波浪水池，采用有限體積法(FVM)對(duì)RANS方程和連續(xù)控制方程進(jìn)行離散求解［12］，利用FLUENT軟件的二次開發(fā)功能UDF，編寫邊界條件完成數(shù)值造波和阻尼消波功能?；诎自肼暡ㄗV對(duì)兩種海況下的長(zhǎng)峰不規(guī)則波進(jìn)行了數(shù)值模擬，波浪的目標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 基于白噪聲波譜的長(zhǎng)峰不規(guī)則波目標(biāo)模擬參數(shù)

1．2 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬基于白噪聲波譜的長(zhǎng)峰不規(guī)則波波面時(shí)歷曲線如圖1所示。從時(shí)歷曲線中可以看出，基于白噪聲波譜數(shù)值模擬的波面曲線為不規(guī)則波。

圖1 船艏處波面時(shí)歷(h1/3=0．080 m)

對(duì)上面監(jiān)測(cè)得到的基于白噪聲波譜的長(zhǎng)峰不規(guī)則波波面時(shí)歷進(jìn)行譜分析，并與目標(biāo)譜對(duì)比，如圖2所示。

圖2 船艏處波面時(shí)歷反推海浪譜

由圖2虛、實(shí)曲線對(duì)比可以看出，本文數(shù)值模擬的波浪譜與目標(biāo)波浪譜密度基本相同。

分別從譜面積m0和有義波高h(yuǎn)1/3這兩方面對(duì)上述數(shù)值模擬海浪譜進(jìn)行誤差分析，誤差計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 船艏處長(zhǎng)峰不規(guī)則波相關(guān)誤差計(jì)算

2 基于CFD的船舶搖蕩響應(yīng)幅值算子計(jì)算

對(duì)WigleyⅢ型船模在基于白噪聲波譜的長(zhǎng)峰不規(guī)則波中頂浪縱向運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬試驗(yàn)中，只考慮垂蕩和縱搖2個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。將船模在基于白噪聲波譜的長(zhǎng)峰不規(guī)則波運(yùn)動(dòng)的縱搖響應(yīng)譜和白噪聲波譜進(jìn)行對(duì)比分析，就可以得到對(duì)應(yīng)頻率的響應(yīng)幅值算子 RAO，如圖3 所示，h1/3=0．08 m，T1=1．092 s。

圖3 數(shù)值計(jì)算縱搖響應(yīng)幅值算子

本文CFD方法計(jì)算得到的響應(yīng)幅值算子與DUT相同傅汝德數(shù)(Fr=0．30)下規(guī)則波船模水池試驗(yàn)［8，12，13］結(jié) 果 進(jìn) 行 比 對(duì)，如 圖 4 所 示，h1/3=0．08 m，T1=1．092 s。

圖4 縱搖響應(yīng)幅值算子對(duì)比曲線

通過上述縱搖響應(yīng)幅值算子對(duì)比分析可以看出，本文CFD方法得到的響應(yīng)幅值算子在低頻部分與水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合程度較好，高頻部分存在一定的誤差，這主要是由于波浪數(shù)值模擬時(shí)，能量在高頻部分存在一定的衰減。

3 結(jié)束語

在分析對(duì)比現(xiàn)有海浪譜時(shí)，基于它們都是窄帶譜的不足，引入白噪聲譜，并在理論上證明了其優(yōu)勢(shì)及試驗(yàn)可行性，即可以用一次白噪聲譜不規(guī)則波的船模試驗(yàn)代替若干個(gè)規(guī)則波中進(jìn)行的船模試驗(yàn)，避免了由于造波幅值過低而引起的計(jì)算精度和計(jì)算效率問題，同時(shí)還大大提高了水池造波的精度，縮短了船模水池試驗(yàn)的周期。

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