王 濤， 張 維 英*， 胡 麗 芬， 于 博 文， 王 樹 祥， 魯 紀(jì) 元

( 1.大連海洋大學(xué) 航海與船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連 116023；2.魯東大學(xué) 交通學(xué)院， 山東 煙臺 264025 )

0 引 言

海難事故多種多樣，例如著火或爆炸、進(jìn)水、碰撞、擱淺、傾斜或傾覆、沉沒、失控及漂浮等[1]．海難事故導(dǎo)致的破艙進(jìn)水會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，眾多學(xué)者對船舶的破艙進(jìn)水進(jìn)行了研究．Spouge對一起海難事故進(jìn)行了調(diào)查研究，考察了兩艘船在碰撞前后的運(yùn)動、碰撞本身的機(jī)制以及隨后破損船舶快速傾斜和下沉的原因，觀察到“瞬時不對稱進(jìn)水”現(xiàn)象，并解釋了破損船舶快速橫傾的原因，討論了這一現(xiàn)象的后果[2]．

近年來，計算流體力學(xué)(CFD)的興起不僅促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析的發(fā)展，也為流動模型的簡化提供了更多依據(jù)[3]．在船舶流體力學(xué)中，利用CFD進(jìn)行船舶穩(wěn)性研究已經(jīng)形成趨勢，相比靜態(tài)穩(wěn)性，動態(tài)穩(wěn)性的研究更加復(fù)雜．Gao等觀察船舶破損過程，發(fā)現(xiàn)海水涌入受損艙室時，進(jìn)艙水和受損船舶相互運(yùn)動．為了解決這種相互運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)值模擬計算，Gao等采用基于自由表面捕獲技術(shù)的Navier-Stokes(N-S)求解模型開發(fā)了一種求解器，并驗(yàn)證了求解器的準(zhǔn)確性．最后，對滾裝渡船破損艙體進(jìn)水現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好[4]．盧俊尹建立了破艙進(jìn)水的數(shù)理模型，通過數(shù)理模型計算驗(yàn)證了數(shù)值方法的正確性，并分析了影響破艙進(jìn)水的要素，結(jié)果表明其數(shù)理模型方法可以模擬實(shí)際艙室進(jìn)水[5]．在研究過程中經(jīng)常要考慮水、油和空氣等自由液面的變化，尤其是船舶在航行過程中處于水、氣兩層流體中，CFD軟件能夠利用多種湍流模型和有限體積法模擬這種問題．劉強(qiáng)等對破艙進(jìn)水時域模擬進(jìn)行了探討，分析了空氣流對進(jìn)水過程的影響和破口水流速度變化，提出了一種減少計算域的方法[6]．

吳文鋒利用ANSYS軟件模擬了船舶碰撞過程，分析了撞擊參數(shù)對碰撞性能的影響，然后進(jìn)行了物理模型實(shí)驗(yàn)，利用FLUENT對雙殼油船在靜態(tài)水域碰撞后發(fā)生泄漏的情況進(jìn)行三相流數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了FLUENT軟件對液貨泄漏模擬所得結(jié)果是可行的[7]．在對動態(tài)穩(wěn)性的研究結(jié)果分析前，船舶在靜水中的穩(wěn)性研究相比于復(fù)雜海況中的研究更有必要．靜水中的船舶穩(wěn)性研究能夠給復(fù)雜工況下船舶穩(wěn)性研究提供基礎(chǔ)．李月萌等利用FLUENT對Ruponen的模型進(jìn)行破艙進(jìn)水時域模擬，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法結(jié)果的準(zhǔn)確性，并能觀察到破艙進(jìn)水每個時間步長的進(jìn)水過程變化，為破艙模擬分析提供了一種新的研究方法[8]．

在船舶的破損位置、尺寸、進(jìn)水量等因素確定的情況下，研究受損船舶的流體運(yùn)動特性和自身動態(tài)行為可為有效減損提供參考，還可對船舶破艙穩(wěn)性進(jìn)行計算與評估，為船舶設(shè)計提供重要依據(jù)[9]．本文利用CFD軟件STAR-CCM+平臺，建立對一艘箱型駁船模型進(jìn)行破艙進(jìn)水兩相流的數(shù)值模擬模型，進(jìn)行箱型駁船在靜水情況下的破艙進(jìn)水時域模擬．將模擬結(jié)果與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證STAR-CCM+對船舶破艙進(jìn)水研究的可行性．然后根據(jù)實(shí)船數(shù)據(jù)利用NAPA建模，選取一個艙室，主要考慮船體和進(jìn)艙水之間的橫搖耦合運(yùn)動，利用建立的STAR-CCM+數(shù)值模擬方法，對實(shí)船模型進(jìn)行破艙進(jìn)水時域模擬，監(jiān)控靜水狀態(tài)下船體和水在六自由度下的耦合運(yùn)動，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析討論．

1 數(shù)學(xué)模型

2009年馬崢等對船舶數(shù)值模擬中的湍流模型進(jìn)行研究，利用FLUENT對三大主力船型即散貨船、油船和集裝箱船進(jìn)行數(shù)值模擬，選取5種常用兩方程湍流模型，網(wǎng)格數(shù)量和劃分方法基本一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到：在數(shù)值模擬選擇湍流模型時，對于集裝箱船一類，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和SSTk-ω模型相對較好．對于油船、散貨船等，SSTk-ω模型具有較高的預(yù)測精度，而RNGk-ε模型對剩余阻力具有較強(qiáng)的預(yù)測能力[10]．

1.1 控制方程

本文以三維不可壓縮的黏性流體瞬態(tài)運(yùn)動方程為理論基礎(chǔ)，假設(shè)流體密度和黏性系數(shù)為常數(shù)．

質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)為

(1)

式中：u、v、w為速度矢量v沿著x、y、z軸3個方向的速度分量．

動量守恒方程(運(yùn)動方程)為

(2)

式中：F為質(zhì)量力，p為壓強(qiáng)，μ為流體動力黏度，v為速度矢量．

有限體積法是在控制體積內(nèi)對一般形式的控制微分方程的積分，即是求解積分形式的守恒方程．

(3)

式中：φ為通用變量；V為控制體積；v為速度矢量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項．

1.2 數(shù)值算法

動量守恒方程(N-S方程)為

(4)

式中：p為壓強(qiáng)，單位Pa；τxy、τxx、τxz等是黏性應(yīng)力τ的分量，單位Pa；fx、fy、fz為x、y、z方向上的單位質(zhì)量力，單位m/s2．

k-ε湍流模型方程為

Gb-ρε-Ym+Sk

(5)

式中：Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動能項；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能項；i，j=1，2，3分別表示x、y、z3個方向；Ym為脈動擴(kuò)張項；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σε為與湍動能k和耗散率ε相對應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk、Sε為用戶自定義的源項．

采用基于有限元分析的STAR-CCM+軟件求解模型內(nèi)流場．不可壓縮黏性流體的控制方程由雷諾平均Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程描述．為了封閉這組方程，采用了k-ε湍流模型，對于管內(nèi)的充分發(fā)展湍流，無論是穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)的流固耦合問題，k-ε湍流模型都是很適用的[11]．

2 STAR-CCM+模擬要點(diǎn)

2.1 數(shù)值模擬要點(diǎn)

破損船舶進(jìn)水過程時域模型的建立基于兩個條件：一是艙室流量平衡，即與艙室相連的所有破口的流量之和與艙室內(nèi)進(jìn)水增量相等；二是破口處滿足伯努利方程[12]．

計算域模型的網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格質(zhì)量對數(shù)值求解的計算精度及模擬結(jié)果都具有非常大的影響，采用合理的網(wǎng)格控制參數(shù)和局部區(qū)域(關(guān)鍵主流區(qū)域)網(wǎng)格細(xì)化控制方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對減少網(wǎng)格數(shù)量、提高計算精度和求解效率具有非常重要的作用[13]．

2.2 邊界條件設(shè)置

各個艙室均有通風(fēng)口，不考慮封閉空間氣體壓強(qiáng)因素，劃分區(qū)域?yàn)榇w(HULL)、進(jìn)水艙室(HULL INSIDE)、隨體區(qū)域(OVERSET ZONE)、變形區(qū)域(TANK)．設(shè)置氣液交界面(WAVE)、破口(INLET A)，標(biāo)準(zhǔn)模型頂部設(shè)置壓力出口(INLET B)、混合壁面(INSIDE WALL)，混合壁面切向速度固定，剪應(yīng)力無滑移，壁面規(guī)整平滑．

3 標(biāo)準(zhǔn)模型破艙模擬研究

3.1 標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)與模型尺寸

本文首先采用Ruponen的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚14]．模型來源于阿爾托大學(xué)和NAPA：ITTC基準(zhǔn)研究的洪水模型測試(ITTC-Box)，收錄于船舶與海洋運(yùn)載器國際穩(wěn)性會議(STAB)文集，STAB是全球穩(wěn)定性和一般安全領(lǐng)域最具代表性的專業(yè)會議．模型主要參數(shù)見表1，箱型駁船標(biāo)準(zhǔn)模型如圖1所示，箱型駁船外形尺寸如圖2所示．

表1 標(biāo)準(zhǔn)模型主要參數(shù)

圖1 箱型駁船

圖2 箱型駁船外形尺寸

3.2 收斂性分析

STAR-CCM+支持對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格包括四面體網(wǎng)格、多面體網(wǎng)格等，與FLUENT相比，支持網(wǎng)格模型較多．此外，STAR-CCM+還支持從其他第三方網(wǎng)格軟件(ICEM CFD、Pointwise、Gridpro、Hypermesh等)直接導(dǎo)入體網(wǎng)格進(jìn)行計算．

破艙進(jìn)水模擬屬于模擬外部流，因此選擇切割體網(wǎng)格．切割體網(wǎng)格單元生成器能提供穩(wěn)定且有效的方法，針對簡單和復(fù)雜的網(wǎng)格生成問題生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，同時適用于基于零部件的網(wǎng)格化(PBM)和基于區(qū)域的網(wǎng)格化(RBM)．除了模型本身質(zhì)量的影響，面網(wǎng)格質(zhì)量最小值和時間步長的設(shè)置也大大影響了計算精度和計算時間．

為了得到不同網(wǎng)格和不同時間步長對模擬結(jié)果的影響，選取箱型駁船進(jìn)水艙室(HULL INSIDE)進(jìn)行收斂性分析．

進(jìn)水艙室尺寸如圖3所示，不同網(wǎng)格比較情況如表2所示．由表2可以看出，面網(wǎng)格質(zhì)量最小值為0.05時，劃分網(wǎng)格質(zhì)量最好，網(wǎng)格數(shù)量也滿足計算要求．

圖3 進(jìn)水艙室外形尺寸

表2 不同網(wǎng)格對比表

庫朗數(shù)能夠?qū)TAR-CCM+中的網(wǎng)格和時間步長聯(lián)系起來．其公式為

C=vΔt/Δx

(6)

式中：v為流體流速；Δt為用于VOF方法計算的時間步長；Δx為網(wǎng)格間距；庫朗數(shù)C<0.3．殘差收斂較好的可以適當(dāng)放大庫朗數(shù)．

面網(wǎng)格質(zhì)量最小值均為0.05，采用不同時間步長，模擬終止條件為30 s，則不同時間步長的模擬時間如表3所示．

表3 不同時間步長對比表

殘差分析是考察模型假設(shè)合理性的方法，通過對殘差及殘差圖的分析，可以判斷選取的時間步長是否滿足計算需要．

當(dāng)時間步長設(shè)置為0.30 s時，湍動能隨著計算的增加呈上升趨勢，收斂較差．時間步長設(shè)置為0.02、0.05 s時，湍流耗散率和湍動能殘差基本相同，都較為平穩(wěn)，略有向下趨勢，因此判斷收斂較好，但時間步長設(shè)置為0.02 s時，模擬時間較長．結(jié)合表3和圖4可以看出，時間步長設(shè)置為0.05 s，既能保證計算精度，同時模擬時間較少．

3.3 箱型駁船網(wǎng)格建立

由于破艙進(jìn)水模擬中存在自由液面，為保證計算精度，本文利用STAR-CCM+切割體網(wǎng)格生成器對實(shí)船模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對隨體區(qū)域和變形區(qū)域建立重疊網(wǎng)格．進(jìn)水艙室及破口尺寸見表4．

(a) 時間步長0.30 s

(b) 時間步長0.05 s

(c) 時間步長0.02 s

圖4 殘差分析

Fig.4 Residuals analysis

表4 進(jìn)水艙室及破口尺寸

選取表面重構(gòu)，執(zhí)行曲率細(xì)化和接近值細(xì)化．自動表面修復(fù)設(shè)置面網(wǎng)格質(zhì)量最小值為0.05；選擇切割體網(wǎng)格單元生成器和棱柱層網(wǎng)格生成器，延伸函數(shù)為幾何級數(shù)，填隙百分比為25%，最小厚度百分比為10%，層減少百分比為50%．面網(wǎng)格增長率1.3，自動修復(fù)最小接近值0.01．網(wǎng)格總數(shù)量為2 526 717，其中質(zhì)量較好的網(wǎng)格數(shù)量為2 507 240，占99.229%，如圖5所示．進(jìn)水艙室網(wǎng)格劃分，設(shè)置表面重構(gòu)，選取切割體網(wǎng)格單元生成器和棱柱層網(wǎng)格生成器．共生成網(wǎng)格684 196，其中質(zhì)量較好的網(wǎng)格數(shù)量為675 567，占98.739%，如圖6所示．變形區(qū)域網(wǎng)格劃分為877 160，其中質(zhì)量較好的網(wǎng)格數(shù)量為876 960，占99.977%，如圖7所示．隨體區(qū)域網(wǎng)格劃分為965 361，其中質(zhì)量較好的網(wǎng)格數(shù)量為954 713，占98.897%，如圖8所示．

選取常用k-ε湍流模型六自由度求解器，由于不考慮波浪在靜水狀態(tài)下進(jìn)行模擬，所以VOF波設(shè)置為靜水VOF波．實(shí)際環(huán)境中，船底部為液體，上部為氣體，所以為氣液兩相模擬．選取歐拉多相流模型，水設(shè)置為恒密度，空氣部分也設(shè)置為恒密度，動力黏度和密度均設(shè)置為常數(shù)．在STAR-CCM+中設(shè)置物理模型，模型參數(shù)選擇初始條件水和氣體復(fù)合湍流強(qiáng)度0.01，湍流速度1 m/s．設(shè)置求解器參數(shù)：隱式不定常中時間步長設(shè)置為0.01 s，默認(rèn)設(shè)置負(fù)載平衡、k-ε湍流、分離VOF模型等選項．

圖5 整體網(wǎng)格

圖6 艙室網(wǎng)格

圖7 船體外側(cè)變形區(qū)域網(wǎng)格劃分

圖8 隨體區(qū)域網(wǎng)格加密

3.4 標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)水過程及結(jié)果分析

利用STAR-CCM+模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，結(jié)果高度吻合，數(shù)據(jù)基本準(zhǔn)確．箱型駁船進(jìn)水過程如圖9所示．0.40 s時，可以觀察到破口進(jìn)水開始，進(jìn)艙水在破口處形成水柱沖擊艙壁．6.60 s時，破口艙室的進(jìn)水已經(jīng)流入中間艙室，中部艙室進(jìn)水，部分水流入右側(cè)艙室．10.50 s時，3個艙室均有進(jìn)艙水，艙室內(nèi)液面逐漸升高．29.95 s時，3個艙室達(dá)到水滿狀態(tài)．

監(jiān)視破口進(jìn)水艙室內(nèi)的自由液面高度，繪制液面高度隨時間變化曲線，并與文獻(xiàn)[8，14]結(jié)果進(jìn)行比較，如圖10所示．

(a) t=0.40 s

(b) t=6.60 s

(c) t=10.50 s

(d) t=29.95 s

圖9 箱型駁船模擬結(jié)果

Fig.9 Simulation results of box barge

本文STAR-CCM+模擬結(jié)果與Ruponen的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[14]、FLUENT模擬結(jié)果對比[8]，R21S艙在t=0～12.00 s時，由于模擬開始時部分進(jìn)艙水噴射在R21S艙壁上產(chǎn)生濺射，液面高度較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果略高；t=12.00 s以后，模擬結(jié)果逐漸趨于平穩(wěn)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果、文獻(xiàn)結(jié)果高度吻合．由于左側(cè)R21S艙一部分進(jìn)艙水通過門直接噴射到R21艙室中，使監(jiān)測的R21艙平均液面高度增加，但隨著艙室內(nèi)進(jìn)水量的增加，液面升高，誤差逐漸減小，最后監(jiān)測結(jié)果逐漸穩(wěn)定，與文獻(xiàn)結(jié)果相同．R21P艙進(jìn)水無水柱噴射，進(jìn)水狀態(tài)平穩(wěn)，艙室液面高度變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果、文獻(xiàn)結(jié)果對比高度吻合．

(a) R21S

(b) R21

(c) R21P

圖10 艙室液面高度隨時間變化圖

Fig.10 Diagram of cabin level change with time

模擬對比結(jié)果驗(yàn)證了該模擬方法可行，利用STAR-CCM+可以模擬船舶破艙進(jìn)水過程，模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠且模擬方法較FLUENT模擬更方便，占用系統(tǒng)資源更少．

4 漁政船破艙進(jìn)水模擬研究

4.1 NAPA建模

本文采用一艘522 kW漁政船的數(shù)據(jù)，利用NAPA進(jìn)行船舶建模．漁政船是指在漁業(yè)專屬水域執(zhí)行漁政任務(wù)，擔(dān)負(fù)海上漁政管理監(jiān)督、執(zhí)法的專業(yè)船只，也是漁政管理設(shè)施建設(shè)中重要的設(shè)施之一；主要用于漁場巡視并監(jiān)督、檢查漁船執(zhí)行國家漁業(yè)法規(guī)的情況，也可兼負(fù)漁業(yè)生產(chǎn)指揮、發(fā)布漁情和氣象通報以及海上醫(yī)療、海難救助等任務(wù)[15]．因此漁政船所航行海域復(fù)雜多變，容易發(fā)生觸礁、剮蹭等事故．機(jī)艙破口進(jìn)水將嚴(yán)重影響船舶航行性能．本文選取機(jī)艙進(jìn)行破艙進(jìn)水的時域模擬．

船體主要參數(shù)如表5所示．

表5 漁政船主要參數(shù)

建立漁政船模型，如圖11所示，艙室劃分如圖12所示．

選取機(jī)艙修改幾何，在右側(cè)做半徑0.30 m的圓形破口，艙室頂部做通風(fēng)口，如圖13所示．由于模擬處于靜水環(huán)境中，漁政船無動力、無航速，水流速度為0 m/s，忽略進(jìn)艙水晃蕩的影響，因此在模擬過程中，不考慮艙室內(nèi)設(shè)備影響，視機(jī)艙為空艙．

圖11 522 kW漁政船模型

圖12 艙室結(jié)構(gòu)劃分示意圖

圖13 機(jī)艙幾何模型

4.2 STAR-CCM+網(wǎng)格劃分

變形區(qū)域選取切割體網(wǎng)格單元生成器，打開表面重構(gòu)和自動表面生成器，面網(wǎng)格增長率1.3，自動修復(fù)最小接近值0.01；進(jìn)水艙室選取切割體網(wǎng)格單元生成器、棱柱層網(wǎng)格生成器，打開表面重構(gòu)和自動表面生成器，面網(wǎng)格增長率1.3，自動修復(fù)最小接近值0.01，棱柱層數(shù)1，棱柱層延伸1.5，棱柱層總厚度絕對尺寸0.005 m．考慮運(yùn)算時間，在重疊域之間建立重疊網(wǎng)格交界面．求解器設(shè)置為隱式不定常、六自由度求解器，六自由度運(yùn)動、負(fù)載平衡、分離流、分離VOF波、k-ε湍流、k-ε湍流黏度．

總網(wǎng)格數(shù)量為699 301，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，質(zhì)量較好的網(wǎng)格達(dá)到98.832%．

機(jī)艙網(wǎng)格劃分總網(wǎng)格數(shù)量為707 564，其中質(zhì)量較好的為699 301，占98.832%，如圖14所示；破口處網(wǎng)格加密如圖15所示．

圖14 機(jī)艙網(wǎng)格劃分

圖15 機(jī)艙破口網(wǎng)格細(xì)節(jié)

船體網(wǎng)格劃分如圖16所示，劃分總網(wǎng)格數(shù)量為373 556，其中質(zhì)量較好的為350 977，占93.956%．

圖16 船體網(wǎng)格劃分

變形區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖17所示，劃分總數(shù)量為795 358，其中質(zhì)量較好的網(wǎng)格數(shù)量為795 166，占99.976%．

船艙尺寸9 m×6 m×2.8 m，艙壁厚度0.1 m，船艙吃水2.15 m，破口為半徑0.30 m的圓形口，外域尺寸150 m×100 m×40 m，重疊網(wǎng)格區(qū)域基本尺寸為56 m．設(shè)定0.05 s為時間步長，對于邊界條件的設(shè)置，頂部邊界設(shè)置為TOP，底部邊界設(shè)置為BOTTOM．

圖17 變形區(qū)域網(wǎng)格加密

DFBI設(shè)置六自由度體，啟用模型VOF波，考慮重力因素，兩層全y+壁面處理，精確壁面距離．選擇可實(shí)現(xiàn)的k-ε兩層模型，常用k-ε湍流模型，雷諾平均Navier-Stokes模型，三維隱式不定常模型．選取歐拉多相流模型，水設(shè)置為恒密度，空氣部分也設(shè)置為恒密度，動力黏度和密度均設(shè)置為常數(shù)．右邊界破口設(shè)置為速度入口(INLET A)，頂部通風(fēng)口設(shè)置為壓力出口(INLET B)．監(jiān)視器監(jiān)視模型六自由度的變化，并生成變化曲線．具體采用STAR-CCM+中的混合壁面函數(shù)功能，指定速度入口的函數(shù)值、壓力出口的函數(shù)值，控制計算中邊界處多相流分布和速度、壓力分布等．

4.3 結(jié)果分析討論

與標(biāo)準(zhǔn)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，已經(jīng)證明STAR-CCM+在處理船舶穩(wěn)性研究中可以得到較為可信的結(jié)果．采用實(shí)船數(shù)據(jù)利用NAPA進(jìn)行建模得到實(shí)船模型，在破艙進(jìn)水的過程中，不考慮進(jìn)艙水的晃蕩影響．進(jìn)水過程瞬時變化如圖18所示．

模擬過程中可以觀察到在瞬時過程的進(jìn)水前期，t=8.20 s時，破口處形成水柱噴射，沖擊在艙壁上，機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生自由液面，并在船艙底部形成兩處渦流，艙內(nèi)液面逐漸升高；t=80.00 s時，艙內(nèi)液面高度超過破口高度，艙內(nèi)進(jìn)水不形成水柱噴射，但進(jìn)艙水仍然有渦流．

監(jiān)測破口處流量隨時間變化，生成破口流量變化曲線，如圖19所示．可以看出在t=0.07 s時，破口流量為655.81 kg/s．在t=0.07～55.00 s時，由于船體橫搖影響，破口流量也產(chǎn)生規(guī)則波動，隨著進(jìn)艙水的增加，橫搖逐漸趨于穩(wěn)定，破口流量也逐漸趨于平穩(wěn)．t=100.00 s時升沉運(yùn)動持續(xù)增大，破口到水面垂直距離增加，破口流量也隨之增加．對破口流量曲線進(jìn)行積分，使用科研繪圖工具GraphPad Prism求出曲線下面積，機(jī)艙浸滿水時，艙內(nèi)水有94 850 kg．

(a) 船體t=1.00 s

(b) 機(jī)艙t=1.00 s

(c) 船體t=8.20 s

(d) 機(jī)艙t=8.20 s

(e) t=80.00 s

(f) t=100.00 s

(g) t=125.00 s

(h) t=155.00 s

圖18 破艙進(jìn)水過程圖

Fig.18 Water intake process of damaged cabin

圖19 破口流量圖

船體六自由度變化如圖20～22所示，船身向進(jìn)水一側(cè)移動，橫蕩距離增加，船體形成較大的橫傾角．

第1次橫傾角最大值出現(xiàn)在t=0.66 s，偏移角度為1.29°，是艙室浸滿水時的瞬時橫傾角的16倍，橫搖周期約為5.080 s，比設(shè)計計算的橫搖周期5.199 s略?。?/p>

隨著進(jìn)水時間增加，橫傾角逐漸減小，艙室內(nèi)液面升高，液面趨于平穩(wěn)，機(jī)艙進(jìn)水增加，船舶下沉，艏搖加快，機(jī)艙進(jìn)水狀態(tài)趨于平穩(wěn)．由于進(jìn)艙水影響，縱搖逐漸減小，艙室浸滿水約160 s．

(a) 橫搖

(b) 橫蕩

(a) 縱搖

(b) 縱蕩

(a) 艏搖

(b) 升沉

5 結(jié) 語

本文利用CFD軟件STAR-CCM+平臺，運(yùn)用動網(wǎng)格和重疊網(wǎng)格技術(shù)對靜水狀態(tài)下的實(shí)船模型進(jìn)行破艙進(jìn)水模擬．為了保證模擬方法的準(zhǔn)確性，先對網(wǎng)格和時間步長收斂性進(jìn)行分析，然后與標(biāo)準(zhǔn)箱型駁船實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了STAR-CCM+應(yīng)用于模擬船舶破艙進(jìn)水的可行性，模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠．STAR-CCM+的六自由度求解器、VOF波形模型、可實(shí)現(xiàn)的k-ε兩層模型、歐拉多相流模型均適用于船舶實(shí)驗(yàn)的模擬．通過模擬實(shí)驗(yàn)，可以觀察船艙進(jìn)水的瞬時狀態(tài)，通過對監(jiān)視器的六自由度變化曲線進(jìn)行分析，能夠得到船舶破損時的穩(wěn)態(tài)瞬時數(shù)據(jù)，依靠軟件強(qiáng)大的后處理功能，可將模擬結(jié)果生成圖表或視頻，轉(zhuǎn)為可視化數(shù)據(jù)．

在確定了一艘漁政船破損位置、尺寸等因素的情況下，對漁政船進(jìn)行破艙進(jìn)水時域模擬得到漁政船每一時間步長破損艙室進(jìn)水位置云圖和破艙進(jìn)水破口流量及六自由度隨時間變化曲線．剛開始進(jìn)水時船舶產(chǎn)生較大橫搖角，破口流量規(guī)則波動，隨著進(jìn)水量的增加船體下沉，橫搖減弱并逐漸穩(wěn)定，破口流量增大，縱搖隨進(jìn)水量增加逐漸減弱，模擬在艙室浸滿水后停止．

本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為研究復(fù)雜工況如多個艙室破損進(jìn)水、大風(fēng)大浪環(huán)境下的船舶破艙進(jìn)水模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為研究船舶破艙進(jìn)水提供一種新思路和方法．其分析結(jié)果可為船體優(yōu)化、海難船舶救援提供參考．