计及舱室进水和气穴效应的破损船耐波性数值模拟研究

When a ship is damaged with a hole open to external water, it is most likely that she will lose stability, suffer from poor sea-keeping performance and become more prone to structural failure. Assessment of these issues for a damaged ship is therefore considered to be one of the key issues in the future development of safe ships. To study this problem,fully nonlinear Boundary Element Method (BEM) and Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) are combined to simulate the process of flooding and the motions of damaged ships in waves. On the one hand, the potential flow theory as a tool to describe the motions and wave loading of a damaged ship is assessed. A vortex shedding damping model is added on the existing potential flow model to account the effect of the shape edge of the damage hole. On the other hand, when the internal free surface distorts severely or even breaks during the flooding process, SPH technique where the fluid is represented by a set of discrete particles will be adopted. Furthermore, following a damage event with flooded compartments, all hatches are closed to prevent propagation of the flooded water, trapping air pockets. The effects of air pockets trapped on the added mass and restoring coefficients are further investigated. The numerical results are validated against published data and a set of experiments, which aims to reveal the mechanical mechanism behind this complicated physical problem.

船舶遭遇破舱进水，将丧失部分浮力，稳性、耐波性等性能急剧下降，对人员和财产构成巨大威胁，故破损船水动力性能的计算和评估是关系到船舶生存力和设计任务的重要课题之一。目前对破损船的研究很少考虑舱内自由液面的非线性和大变形，对舱内捕获气穴的研究也十分匮乏。鉴于此，本研究拟联合采用全非线性边界元法（BEM）和光滑粒子法（SPH）数值模拟船舶破舱进水过程以及破损船的耐波性等。一方面，依据涡量守恒理论，在原有基于势流理论的边界元法上，引入漩涡脱落耗散模型，考虑流体涌入破口时漩涡脱落导致的粘性阻尼；另一方面，当自由液面产生大变形或破碎后，采用SPH算法模拟后续的流体运动。同时，考虑破舱角隅处捕获的气穴效应，依据拉普拉斯方程，推导气穴的运动及其对破损船附加质量和回复系数等的影响。将计算结果与前人发表的文献和实验结果对比，在验证数值模型有效性的基础上，综合考虑舱室进水、气穴和波浪联合作用下破损船的耐波性。

当船舶受损产生较大破口，导致破舱进水时，很可能会失去稳定性，并容易发生结构失效，轻则影响船舶的海洋作业，重则威胁着生命和财产的安全，引发海难事故。因此，对受损船舶破舱进水问题的评估是未来安全船舶发展的关键问题之一。船舶的破舱进水过程会发生砰击、翻卷、破碎、气液掺混等现象，同时，破舱进水的流场是非定常和强非线性的。本项目以船舶与海洋工程领域和海防领域中破舱进水问题为工程背景，通过全非线性边界元法（BEM）和光滑粒子法（SPH），研究破舱进水过程中舱内自由液面、气穴和船舶结构自身的动力学行为和载荷特性。同时进行海水与海冰混杂破舱入水机理性模型实验，将计算结果与实验数据对比以验证模型有效性。.采用漩涡脱落模型来修正势流理论模型，在基本没增加耗时的情况下显著了提高舱底破损进水的数值求解精度。将经过改进的三维弱可压流体SPH方法应用在船舶破舱进水问题的数值求解中，显示了很好的精度和可靠性。针对舱室进水过程的气体流动问题，建立了适用于大密度比的多相流SPH模型，采取非对称形式的控制方程粒子离散形式，提高了大规模计算时的稳定性。.通过研究发现，舱内涌入水流的聚积和分布会直接影响舱室内部的力和力矩，进而影响舱室的多自由度运动，舱内自由面的脉动会引起舱室的抖动。舱室进水量不仅与气密程度相关，也受破口和水线的实时位置影响；在外力扰动下，气体的流动和外溢会给舱室运动带来不稳定性。舱室的动态进水过程在很大程度上影响气体的排出量和压缩度，捕获的空气会形成气垫对船体形成支撑作用，有效减缓舱室的下沉和倾斜幅度，同时也改变了舱室的进水量，有利于增强船舶的抗沉性。船舶受损进水时，在滞留在舱顶附近的空气和舱室内外自由面波浪的联合作用下，船舶的垂荡、纵摇和横摇恢复系数等水动力性能会受到显著影响影响，进而恶化舱室进水环境。.本项目为船舶破损进水的评估提供了可行的理论指导和技术支撑，为在受损进水条件下船舶运动特性的研究提供了一种可行手段，对于研究人员认识和理解船舶进水过程中的运动和动力学行为具有重要意义。