计及粘性的近距两船水动力干扰非线性时域分析方法研究

Underway replenishment is an essential component of long-term naval operation. As an important step of the maritime logistics, it has been brought more and more attention of navies in the world. Under these situations, the two ships are assumed advancing parallel with identical forward speed, each ship produces and scatters translating, radiation and diffraction waves, and these waves excite other ships’ motions and interfere with each other. Due to this fact, the large wave elevation in-between them may be happen, further, to result in the aggravation of the motions of each ship. At this moment, the fluid viscosity and nonlinearity are prominent, and traditional linear potential theory may be not proper to analyze this problem. However, theoretical and experimental researches about nonlinear method to solve this problem are rare; the relative mechanism and the role of fluid viscosity have not been clearly stated..In this study, the fully nonlinear three dimensional method based on Navier-Stokes equations will be established to investigate the hydrodynamic interaction between two ships in close proximity and reveal the influence of fluid viscosity on motions, wave loads and wave elevation in-between the gap of them. Further, to improve the efficiency, the nonlinear time domain method taking the effect of viscosity of fluid will be proposed. Based on this numerical solution, software with proprietary intellectual property will be developed.

航行补给是海军舰艇编队远洋航行的重要环节，其中涉及的近距两船水动力干扰问题已成为海军强国的重点研究课题。补给作业时，在入射波浪作用下，两船间的液面会显著抬升，并由此诱导船体发生大幅的运动响应，此时粘性和非线性效应非常明显，采用传统的线性势流理论遇到很大的挑战。然而，关于近距两船运动与受力的非线性理论与试验分析方法、近距两船相互作用时的流体动力学机理以及流体粘性在两船水动力干扰中的作用机理的相关研究还相对较少。.本项目开展波浪中近距航行两船水动力干扰全非线性的粘性CFD理论计算方法研究，深入分析流体粘性影响两船运动、受力以及船间自由面波形的内在机理；在此基础上，为提高计算效率，进一步开展理论简化方面的研究，建立计及粘性影响的非线性时域算法，研制具有自主知识产权的波浪中两船近距航行相互作用水动力的预报软件。

随着我国海洋经济的高速发展和在国家建设中的作用愈发显著，我海军舰艇编队远洋航行和护航任务日益增加，随之而来的大型舰船海上航行补给的问题日益突出，本研究即以这一问题为背景，凝炼出了需要解决的科学问题“计及粘性的近距两船水动力干扰非线性时域分析方法研究”。. 主要研究内容包括：（1）两船水动力干扰粘性CFD理论计算方法研究；（2）两船近距航行时相互作用的粘性和非线性效应作用机理分析；（3）计及粘性影响的两船水动力干扰势流算法研究；（4）两船近距离航行时水动力干扰非线性效应模型试验研究。. 重要结果：（1）以二维数值波浪水池为例，提供探讨了湍流模型、波陡、网格疏密以及时间步长等因素对数值造波精度以及波高沿程衰减的影响规律，找到了准确建立数值波浪水池的方法，发现了波陡对造波精度的重要影响；（2）以前期有试验结果的两船模同速并行航行的波浪中运动为例，开展了基于RANSE的运动响应求解，并与势流理论计算结果与模型试验结果对比，获得了网格尺寸大小、Overset区域的不同形式对计算结果的影响规律；（3）对两船水动力干扰粘性和非线性效应进行了分析，宏观上分析了船体受力中粘性和压力部分在总体受力中的贡献，微观上分析了精细流场细节，揭示了两船间流体的流动与演化规律，进一步将建立的方法应用于SWATH波浪中运动响应的分析，计算精度较传统方法有较大提升；（4）开展了两船横摇附加质量和阻尼系数的粘性CFD求解，通过开展两船强迫横摇运动的求解，获得横摇阻尼系数，并与传统势流理论进行了详细对比；（5）开发了基于Rankine源的波浪中并行两船水动力干扰频域理论算法，以Rankine源为基本内核，基于三维面元法，建立了波浪中并行两船水动力干扰的频域分析方法，获得了较好的计算结果，同时大大提升了计算效率；进一步扩展了该方法在浅水域中应用的问题，获得了浅水中船体辐射及绕射波形传播的特点，通过理论推导获得了船前无波的临界参数值，其不仅与航速密切相关，还与水深相关，通过拟合得到回归公式；（6）建立了基于高阶面元法，分别以移动脉动源格林函数、Rankine源为内核的三维频域面元法、三维时域面元法；提出了粘性耗散系数确定的有效方法；（7）在拖曳水池中开展了波浪中两船并行航行试验，研制了试验装置，成功实现了约束自由度的受力与释放自由度的运动同时高精度测量。