URANS to Predict Ship Roll Damping using Forced Roll and Free Decay Oscillations

摘要

本文使用了一般商业CFD软件FLUENT，采用非定常的RANS方程对S175集装箱船的横摇及横摇阻尼的进行了数值计算。第一部分为数值横摇试验，该数值实验模拟给定横摇幅值的模型实验。第二部为数值横摇自由衰减实验，其模拟这样一个模型实验即模型在初始横摇幅值下放松，观察其六个自由度中的横摇运动，这一试验是在船舶的固有频率下进行的。
　　 使用多相技术VOF法捕捉自由表面效应，用PISO得到压力与速度的关系，对于横摇运动使用动态网格，并采用SST k-ω模型来获得湍流运动。
　　 在模拟强迫横摇实验中，采用驳船模型和加上附体舭龙骨的驳船模型，进而分析了舭龙骨效应。数值计算的横摇幅值范围为6-31°，因此要考虑大幅横摇的情况。此外进行了控制频率变化的计算即在二种不同的强迫频率下进行强迫横摇试验。
　　 在横摇自由衰减数值实验中，通过在不同的横摇幅值下放松模型来考虑初始幅值对横摇性能的影响。通过对二种不同回转半径下的模拟，还考虑了回转半径对横摇性能的影响。最后通过把重心置于自由面之上和之下，考虑了重心高度的影响并得到了一些有趣的结果。
　　 通过研究网格独立与时间步长独立研究，进行了数值验证。最后，比较了数值计算得到的横摇阻尼系数与试验得到的横摇阻尼系数。比较结果表明低频下数值结果比高频下准确，然而幅值的变化对CFD计算结果影响相对较小。自由衰减数值模拟能够很准确地获得阻尼(系数)，并且对船舶固有频率的预估也在可接受精度之内。数值模拟中获得了漩涡分离。
　　 本文工作表明非定常的RANS数值模拟是计算船舶的横摇阻尼的一个有效地工具，并且可与模型试验相辅相成。