基于DAWSON法小水線面雙體船模型興波阻力及浮態(tài)預(yù)報(bào)

范井峰李云波

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海 200011；2.哈爾濱工程大學(xué) 哈爾濱 150001）

基于DAWSON法小水線面雙體船模型興波阻力及浮態(tài)預(yù)報(bào)

范井峰1李云波2

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海 200011；2.哈爾濱工程大學(xué) 哈爾濱 150001）

針對(duì)小水線面雙體船型，基于Dawson法，通過(guò)船體局部網(wǎng)格快速劃分迭代求解船體模型在不同航速下的興波阻力、縱傾、升沉以及不同航態(tài)下的濕表面面積變化，并給出預(yù)報(bào)結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

DAWSON法；小水線面雙體船；興波阻力；縱傾；升沉

引 言

小水線面雙體船（SWATH）優(yōu)秀的耐波性能已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)共識(shí)。例如，“卡瑪林諾”號(hào)和“海鷗”號(hào)小水線面雙體船的垂向運(yùn)動(dòng)加速度均小于0.1重力加速度；“海鷗”號(hào)小水線面雙體船4級(jí)海況下橫搖幅值僅為常規(guī)單體船的1/4。 SWATH的耐波性能使其使用效率比單體船高得多［1］，且已廣泛用于海洋水文考察船、海上作業(yè)試驗(yàn)船、交通艇等。

SWATH由于水線面積較小，航行時(shí)縱傾和升沉變化較大，通常SWATH船型均要安裝首尾穩(wěn)定鰭來(lái)改善航行時(shí)的埋首現(xiàn)象。

本文基于Dawson方法［2-4］，通過(guò)船體局部網(wǎng)格［5］快速劃分迭代求解船體模型在不同航速下的興波阻力、縱傾、升沉以及不同航態(tài)下的濕表面面積變化，并給出預(yù)報(bào)結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比［6］。

1 計(jì)算原理

1.1 興波阻力基本理論與方法

取隨船坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于水平面上，見下頁(yè)圖1。

圖1 坐標(biāo)系示意圖

假設(shè)流體理想，流動(dòng)定常，無(wú)限水深，船舶興波為微幅波。流場(chǎng)速度勢(shì)ψ分解為無(wú)自由面影響的重疊模速度勢(shì)?和考慮自由液面作用的擾動(dòng)速度勢(shì)φ，即

速度勢(shì)均滿足無(wú)窮遠(yuǎn)處趨于零的遠(yuǎn)方輻射條件。考慮到?關(guān)于靜水面對(duì)稱，則

將自由面條件（5）分別在z=ζ和z=0上速度勢(shì)展開，并假設(shè)????，忽略?的非線性項(xiàng)，可得簡(jiǎn)化的自由面邊界條件

式中：l為重疊模流線方向。

船體受到的興波阻力Rw、興波阻力系數(shù)Cw、升力Fz、力矩Mz表示為：

1.2 網(wǎng)格處理

為了在較大傅汝德數(shù)范圍內(nèi)獲得較準(zhǔn)確和光滑而真實(shí)的興波波形，將自由面網(wǎng)格沿縱向從船首向遠(yuǎn)前方、船尾向后方呈輻射狀網(wǎng)格長(zhǎng)度按比例遞增。橫向網(wǎng)格尺度按比例向外遞增，波形變化較大區(qū)域，采用較密集的均勻網(wǎng)格寬度。

2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

本文主要對(duì)正常排水量下的船舶阻力及航行姿態(tài)進(jìn)行分析。該船模主尺度見表1。

表1 船舶主尺度

對(duì)船模及自由表面進(jìn)行數(shù)值離散，船體表面離散為1 500單元，自由表面單元數(shù)為2 300單元。船體表面離散后網(wǎng)格模型如圖2。

圖2 小水線面雙體船網(wǎng)格劃分

計(jì)算求得的傅汝德數(shù)從0.1到0.45共15個(gè)速度點(diǎn)的興波阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 小水線面雙體船興波阻力及航態(tài)預(yù)報(bào)結(jié)果

圖3 -圖6給出了計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

圖3 計(jì)算興波阻力系數(shù)與試驗(yàn)剩余阻力系數(shù)比較

圖4 計(jì)算縱傾值與試驗(yàn)剩余阻力系數(shù)比較

圖5 計(jì)算升沉值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

圖6 計(jì)算濕表面面積變化曲線

圖3為計(jì)算興波阻力系數(shù)與試驗(yàn)剩余阻力系數(shù)數(shù)據(jù)的比較，在計(jì)算傅汝德數(shù)范圍內(nèi)，該小水線面雙體船興波阻力系數(shù)出現(xiàn)明顯峰值和谷值，在傅汝德數(shù)0.3附近出現(xiàn)明顯峰值，在傅汝德數(shù)0.35附近出現(xiàn)明顯谷值。

圖4為計(jì)算縱傾值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，在低于傅汝德數(shù)0.42時(shí)，小水線面雙體船均為埋首狀態(tài)，在0.37附近出現(xiàn)最大埋首狀態(tài)，在傅汝德數(shù)0.3附近縱傾曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，傅汝德數(shù)超過(guò)0.42后出現(xiàn)抬首現(xiàn)象。從該曲線可知，小水線面雙體船航行縱傾隨航速變化出現(xiàn)明顯的波動(dòng)情況。

圖5為計(jì)算升沉值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，從圖中可知，小水線面雙體船航行時(shí)船中吃水都會(huì)變大，即出現(xiàn)下沉情況。

從圖4、圖5可以看出，數(shù)值模擬的升沉、縱傾值與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)相符?？v傾值在傅汝德數(shù)0.3左右有數(shù)值偏差，升沉預(yù)報(bào)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖6為濕表面面積隨航速變化的曲線，在計(jì)算的航速范圍內(nèi)，濕表面面積隨航速增加而增加。

該船型在Fn=0.3時(shí)產(chǎn)生的興波如圖7、圖8所示。

圖7 波形圖（Fn=0.3）

圖8 波形云圖（Fn=0.3）

從圖中可見，所形成的興波很好地滿足了遠(yuǎn)方輻射條件，同時(shí)波峰、波谷的位置也與實(shí)際情況相符。

3 結(jié) 論

本文基于DAWSON方法對(duì)小水線面雙體船興波阻力、縱傾及升沉進(jìn)行了預(yù)報(bào)，并給出船模計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。根據(jù)計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見，數(shù)值模擬的升沉、縱傾值與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)相符?？v傾值在傅汝德數(shù)0.3左右有數(shù)值偏差，升沉預(yù)報(bào)與試驗(yàn)結(jié)果符合較好。濕表面面積隨航速變化較大，其隨航速增加而增加。

［1］ 黃鼎良.小水線面雙體船性能原理［M］.北京： 國(guó)防工業(yè)出版社，1993.

［2］ Dawson C W. A practical computer method for solving ship-wave problems［C］ . the Second ICNSH，Beckly：University Extension Publication， 1977：30-38.

［3］ 劉應(yīng)中.船舶興波阻力理論［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［4］ Dawson CW. Calculations with the xyz free surface programfor five ship models［A］.Proceedings of Workshop on Ship Wave-Resistance Computations［C］//David W.Taylor Naval Ship Research and Development Center，Bethesda，MD，1979.

［5］ Hess J L， SmithAMO.Calculation of non-lifting potential flowabout arbitrary three-dimensional bodies［J］. Journal of Ship Research，1964（2）： 22-44.

［6］ 蔡新功.基于Michell理論的多體船阻力計(jì)算［J］.船舶，2007（2）：5-9.

Prediction of wave-making resistance and fl oating state of SWATH based on DAWSON method

FAN Jing-feng1LI Yun-bo2
(1. Representative Offi ce of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China; 2. Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

A small waterplane area twin hull （SWATH） is investigated based on Dawson method. It iteratively solves the wave-making resistance， trim， sinkage and the wetted surface area under the diff erent fl oating states of the ship model at diff erent speeds through the quick division of the local ship grid， and the prediction results are compared with the model test results.

DAWSON method； SWATH； wave-making resistance； trim； sinkage

U661.31

A

1001-9855（2015）06-0020-04

2015-01-13；

2015-03-18

范井峰（1978-），男，工程師，研究方向：艦船設(shè)計(jì)審查。

李云波（1968-），女，博士，教授，研究方向：船舶水動(dòng)力性能。