◎ 鄒遠(yuǎn)停 曾綽璇 廣東海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院

1.前言

船舶在狹窄區(qū)域航行時(shí)受到船舶本身與水流、岸壁的相互作用，使船舶受到橫向力和轉(zhuǎn)首力矩的現(xiàn)象稱為岸壁效應(yīng)，對(duì)船舶的航行狀態(tài)產(chǎn)生不利的影響，研究養(yǎng)殖無(wú)人船在近岸、傾斜河岸等復(fù)雜航行環(huán)境下的水動(dòng)力性能，探究無(wú)人船對(duì)于無(wú)人養(yǎng)殖船設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)船舶近岸航行的水動(dòng)力性能展開(kāi)研究，張科等[1]應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)KCS船沿傾斜河岸直線航行的水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算。姚建喜等[2]應(yīng)用一階Rankine源面元法預(yù)報(bào)系列60船型近岸航行受到的橫向力和轉(zhuǎn)首力矩，并分析了船岸距離、岸壁傾斜角等參數(shù)的影響。張淋等[3]建立船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型預(yù)報(bào)了Mariner船在淺狹航道中航行的操縱運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)船舶在直航狀態(tài)下淺水及岸壁效應(yīng)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)軌跡和航向的預(yù)報(bào)，根據(jù)結(jié)果得出淺水及岸壁效應(yīng)對(duì)船舶在狹窄航道中的操縱性能的影響特性。劉明等[4]通過(guò)船模試驗(yàn)和STARCCM+軟件數(shù)值模擬相結(jié)合的分析方法對(duì)船舶在岸壁效應(yīng)主要影響因素下進(jìn)行水動(dòng)力性能研究，得出與內(nèi)河狹窄航道船舶航行安全距離相關(guān)的水動(dòng)力計(jì)算公式，通過(guò)該公式可以反向分析航行安全距離的影響機(jī)理。王化明[5]應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)幾種船型在淺峽航道中斜航、回轉(zhuǎn)以及近岸航行時(shí)的黏性流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算了相關(guān)的水動(dòng)力。郭焱[6]等應(yīng)用全六面體網(wǎng)格進(jìn)行離散，計(jì)算了KVLCC2船體在淺狹區(qū)域的直航和斜航運(yùn)動(dòng)的黏性流場(chǎng)。肖仲明等[7]選用嵌套網(wǎng)格計(jì)算了系列60船型在淺水區(qū)域航行中的岸壁效應(yīng)粘性流場(chǎng)。張德興等[8]應(yīng)用CFD方法探究吃水差因素對(duì)船舶的岸壁效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

從前人的研究結(jié)果表明，船舶近岸航行會(huì)受到兩側(cè)水流的影響進(jìn)而對(duì)船舶航行產(chǎn)生影響。養(yǎng)殖無(wú)人船目前被廣泛應(yīng)用于漁業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)、養(yǎng)殖投料等領(lǐng)域，航行受池塘、養(yǎng)殖水域本身環(huán)境影響。本文基于STAR-CCM+軟件，應(yīng)用VOF界面捕捉技術(shù)搭配K-ω湍流模型，對(duì)養(yǎng)殖無(wú)人船的近岸壁航行情況進(jìn)行模擬，探究船岸距離、岸壁形式等因素對(duì)養(yǎng)殖無(wú)人船航行影響。

2.數(shù)學(xué)模型

2.1 問(wèn)題描述

如圖1所示，考慮無(wú)人船沿岸航行，采用右手直角坐標(biāo)系O-xyz，其中xoy平面介于水和空氣兩種介質(zhì)的交界面上，s為船岸距離，h為航道水深。

圖1 計(jì)算模型示意圖

2.2 控制方程

根據(jù)單相均質(zhì)假設(shè)，將汽、液組成的混合介質(zhì)看成一種變密度流體，并引入空化模型用于描述汽、液間質(zhì)量交換。連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[9]可表示為：

式中：下標(biāo)l和v分別代表液相和氣相，α為液相體積分?jǐn)?shù)。

2.3 湍流模型

SSTk-ω模型由Menter[10]最先提出，在預(yù)測(cè)近壁區(qū)繞流和旋流方面有優(yōu)勢(shì)，并具有較高精度和可信度。其湍動(dòng)能k與比耗散率ω的輸運(yùn)方程為：

其中，F(xiàn)1為混合方程，yy為邊界層中最內(nèi)層的厚度，在邊界層中，F(xiàn)1趨向于1，此時(shí)表現(xiàn)為k-ω模型，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，F(xiàn)1的取值接近0，則該模型表現(xiàn)為k-epsilon模型，以有效地規(guī)避k-ω模型對(duì)于入口處湍流的大小過(guò)于敏感這一問(wèn)題。

3.幾何模型及驗(yàn)證

3.1 幾何模型

本文的計(jì)算模型為某三體養(yǎng)殖無(wú)人船，該模型三維模型圖和中橫剖面圖分別見(jiàn)圖2和圖3，主尺度參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 養(yǎng)殖無(wú)人船船型參數(shù)

圖2 養(yǎng)殖無(wú)人船的三維模型圖

圖3 養(yǎng)殖無(wú)人船的中橫剖面圖

3.2 計(jì)算域及邊界條件

計(jì)算域示意圖如圖4所示，無(wú)人船水線初始時(shí)刻在空氣和水分界面處。

圖4 計(jì)算域示意圖

1）進(jìn)口邊界：距離艏部1.0LPP和距離船體甲板1.5LPP，設(shè)定為速度入口邊界條件。

2）出口邊界：距離艉部3.0LPP，設(shè)定為壓力出口邊界條件，并在壓力出口處設(shè)置為1.5LPP的阻尼消波區(qū)域。

3）左側(cè)面：距離船體2.0LPP，因其對(duì)船模周圍流場(chǎng)可忽略，將其設(shè)定為對(duì)稱邊界條件。

4）底部：距離船體2.0LPP，設(shè)定為速度進(jìn)口邊界條件。

5）右側(cè)面：船體的右側(cè)設(shè)定為壁面邊界條件。

3.3 數(shù)值驗(yàn)證

由于本研究的船型缺乏實(shí)船的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文選取標(biāo)準(zhǔn)船模KCS船型進(jìn)行數(shù)值方法驗(yàn)證[11]，首先進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖5（a）為網(wǎng)格總數(shù)分別為100萬(wàn)、150萬(wàn)、200萬(wàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值結(jié)果比對(duì)，從結(jié)果表面，數(shù)值方法具有良好的收斂性。如圖5（b）為時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s、0.02s、0.03s計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值結(jié)果比對(duì)，從結(jié)果表明，數(shù)值方法具有良好的穩(wěn)定性。

圖5 數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值結(jié)果比對(duì)

4.結(jié)果與討論

4.1 船岸距離的影響

本節(jié)主要開(kāi)展船岸距離對(duì)船舶橫向力與轉(zhuǎn)首力矩的影響。如圖6（a）為弗勞德數(shù)分別為0.113、0.170、0.226、0.339下不同船岸距離對(duì)橫向力系數(shù)的影響，從圖中可以看出：在低速情況下，船舶所受到的橫向力系數(shù)整體表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，且船舶所受到的橫向力影響為橫向岸推力。船舶在低速情況下的橫向力受航速的影響并不明顯；而高速情況下時(shí)，船舶所受到的橫向力系數(shù)整體表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，且船舶在船岸距離小于0.15倍船長(zhǎng)時(shí)所受到的橫向力影響為橫向岸吸力，船岸距離大于0.2倍船長(zhǎng)時(shí)所受到的橫向力影響為橫向岸推力?？芍霸诟咚偾闆r下的橫向力的影響非常顯著，隨著船岸距離的增大，船舶橫向力的作用由岸吸力轉(zhuǎn)為岸推力。如圖6（b）為不同船岸距離對(duì)轉(zhuǎn)首力矩系數(shù)的影響，從圖中可以看出船舶所受到的轉(zhuǎn)首力矩受航速的影響不明顯，可忽略不計(jì)。船舶隨著船岸距離的增大所受到的轉(zhuǎn)首力矩系數(shù)整體表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，且船舶所受到的轉(zhuǎn)首力矩的影響是艏推力。

圖6 不同船岸距離對(duì)船舶水動(dòng)力系數(shù)的影響

為更直觀的了解船岸距離對(duì)無(wú)人船流場(chǎng)的影響，本節(jié)選取了不同船岸距離下自由液面興波場(chǎng)進(jìn)行比對(duì)。如圖7為弗汝德數(shù)分別為0.113、0.170、0.226、0.339下不同船岸距離對(duì)自由液面的影響，從圖中可以看出在低速情況下，船舶周圍的興波并不明顯，尾流與岸壁的作用忽略不計(jì)。而在高速情況下，船舶周圍的興波高度變化顯著，船岸距離為0.1倍船長(zhǎng)時(shí)，船舶尾流與岸壁的作用最顯著。

圖7 不同船岸距離對(duì)自由液面的影響

4.2 航道水深影響

本節(jié)所使用的弗汝德數(shù)為0.339來(lái)開(kāi)展航道水深對(duì)船舶橫向力與轉(zhuǎn)首力矩的影響。如圖8（a）為水深吃水比分別為2、3、4下不同水深吃水比對(duì)橫向力系數(shù)的影響，從圖中可以看出：在淺水航道情況下，船舶隨著船岸距離的增大所受到的橫向力系數(shù)整體表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，且船舶所受到的橫向力影響為橫向岸吸力；船舶在船岸距離小于0.2倍船長(zhǎng)，水深吃水比大于3時(shí)，橫向力系數(shù)下降幅度最大。如圖8（b）為不同水深吃水比對(duì)轉(zhuǎn)首力矩系數(shù)的影響，從圖中可以看出隨著水深吃水比增大，船舶所受到的轉(zhuǎn)首力矩系數(shù)整體表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，且船舶受到轉(zhuǎn)首力矩的影響為艏吸力；當(dāng)水深吃水比大于2，船舶在船岸距離小于0.2倍船長(zhǎng)下所受到的轉(zhuǎn)首力矩系數(shù)最大。

圖8 不同航道水深對(duì)船舶水動(dòng)力系數(shù)的影響

4.3 岸壁傾斜度影響

本節(jié)所使用的弗汝德數(shù)為0.339來(lái)開(kāi)展岸壁傾斜度對(duì)船舶橫向力與轉(zhuǎn)首力矩的影響。如圖9（a）為岸壁傾斜角度分別為25°、45°、65°下不同船岸距離對(duì)橫向力系數(shù)，從圖中可以看出：在同一船岸距離的情況下，岸壁傾斜角度越大，船舶受到的橫向力系數(shù)整體表現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且船舶所受到的橫向力影響為橫向岸吸力。船岸距離S為0.2m，岸壁傾斜角度為65°，船舶所受到的橫向力系數(shù)最大；船岸距離為0.4倍船長(zhǎng)時(shí)，岸壁傾斜角度為25°，船舶所受到的橫向力系數(shù)非常小，可忽略不計(jì)。如圖9（b）為不同岸壁傾斜角度對(duì)轉(zhuǎn)首力矩系數(shù)的影響，從圖中可以看出隨著岸壁傾斜角度的增加，船舶所受到的轉(zhuǎn)首力矩系數(shù)整體表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，且船舶在船岸距離小于0.3倍船長(zhǎng)時(shí)所受到的轉(zhuǎn)首力矩的影響為艏吸力，在船岸距離為0.4倍船長(zhǎng)時(shí)所受到的轉(zhuǎn)首力矩影響為艏推力。

圖9 不同船岸距離對(duì)船舶水動(dòng)力系數(shù)的影響

為更直觀地了解船岸距離對(duì)無(wú)人船流場(chǎng)的影響，本節(jié)選取了不同岸壁傾斜角度下自由液面興波場(chǎng)進(jìn)行比對(duì)。如圖10為岸壁傾斜分別為25°、45°、65°下不同船岸距離對(duì)自由液面的影響，從圖中可以看出在岸壁傾斜角度為25°的情況下，船舶周圍的興波并不明顯，尾流與岸壁的作用并不明顯。而在岸壁傾斜角度大于45°的情況下，船舶的尾流與岸壁的作用隨著船岸距離的減小而增強(qiáng)，且岸壁傾斜角度為45°，船岸距離為0.1倍船長(zhǎng)時(shí)，船舶尾流與岸壁的作用最顯著。

圖10 不同岸壁傾斜角度對(duì)自由液面的影響

5.結(jié)論

本文利用CFD數(shù)值模擬計(jì)算方法，對(duì)航速、水深以及岸壁傾斜角等影響參數(shù)的船舶岸壁效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)模擬結(jié)果得出了以上條件對(duì)船舶的岸壁效應(yīng)的具體影響。

（1）當(dāng)船舶在低速情況下，所受到的橫向力系數(shù)整體表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，且船舶所受的橫向力影響為橫向岸推力；而高速情況下時(shí)，船舶所受到的橫向力系數(shù)整體表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，且船舶在船岸距離小于0.15倍船長(zhǎng)時(shí)所受到的橫向力影響為橫向岸吸力，船岸距離大于0.2倍船長(zhǎng)時(shí)所受到的橫向力影響為橫向岸推力，船舶的橫向力作用方向受船舶高速的影響。隨著船岸距離的增大，船舶所受到的轉(zhuǎn)首力矩系數(shù)整體表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，且船舶所受的轉(zhuǎn)首力矩的影響是艏推力。

（2）當(dāng)弗汝德數(shù)一定時(shí)，船舶隨著水深的增大而整體表現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且船舶受到的橫向力為橫向岸推力。轉(zhuǎn)首力矩隨著岸壁距離的增加而減小的趨勢(shì)。船舶受到的轉(zhuǎn)首力矩作用影響為艏吸力。

（3）隨著岸壁傾斜角度增加，船舶受到的橫向力系數(shù)整體表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，且船舶所受到的橫向力影響為橫向岸吸力；而船舶所受到的轉(zhuǎn)首力矩系數(shù)整體表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，且船舶在船岸距離小于0.3倍船長(zhǎng)時(shí)所受到的轉(zhuǎn)首力矩的影響為艏吸力，在船岸距離為0.4倍船長(zhǎng)時(shí)所受到的轉(zhuǎn)首力矩影響為艏推力。岸壁傾斜角度為45°，船岸距離為0.1倍船長(zhǎng)時(shí)，船舶尾流與岸壁的作用最顯著。