强迫摇荡运动二维矩形月池水动力系数的CFD计算

杨柳++陈方磊

摘 要：基于计算流体力学（CFD）理论，并考虑了自由表面的影响（采用VOF方法捕捉自由表面），来模拟二维矩形月池单自由度强迫摇荡运动，得到纵荡、垂荡及纵摇的附加质量和阻尼系数，并与线性势流理论结果进行比较，趋势基本一致。本文所采用的方法能合理地给出矩形月池结构的水动力系数，更方便地描述月池内部流体的活塞和晃荡运动，可应用于船舶与海洋工程浮式结构的水动力性能研究。

关键词：水动力系数；月池；强迫摇荡运动

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.222

0 引言

钻井船、FPSO及Spar平台等海洋结构常根据实际需要布置垂直方向贯穿结构主体的月池结构。由于底部开口，月池内流体运动存在两类固有振荡形式，即“活塞”运动与“晃荡”运动[1-3]。对于波浪与月池结构的相互作用的研究而言，辐射问题的研究具有重大的意义。将辐射波载荷与对应的结构运动加速度和速度分离，进而得到与加速度、速度有关的辐射载荷作用系数，分别称为结构的附加质量系数和附加阻尼系数。月池结构的水动力系数如附加质量与阻尼系数是研究月池内流体水动力特性以及活塞和晃荡现象发生的基础。

近年来，随着计算机技术和计算技术的飞速发展，计算流体力学（CFD）也有了长足的进步。基于CFD理论的海洋浮式结构物水动力学方面的数值模拟，因为具有费用低、无触点流场测量、无尺度效应、能消除物体模型中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响、可获得较为详细的流场信息等优点而受到广泛关注，切应用范围越来越广[4-5]。

1 计算模型及结果

本文所采用的计算域、计算模型尺寸如图1所示。由于月池微幅振动产生的波动会在模型两侧反射回来，因此在水槽两侧设置消波区。水槽长度20m，高度6m，消波去寬度2m，月池宽度1m，高度1.5m，吃水1m。

为了验证本文方法的有效性和准确性，就底部开口为0.25m的月池剖面所作的单一纵荡、垂荡和纵摇运动下的流场进行数值模拟。当月池以固定的频率和幅值作单一模态的振荡运动时，通过流场的计算可以获得对应模态下的力和力矩。当月池以周期为2s，位移幅值为0.01m作纯垂荡运动，即以为位移规律运动时，利用最小二乘法进行.到，则。再进行相位分解和无量纲化可以得到附加质量，阻尼系数。同理可以得到纵荡和纵摇的水动力系数。本文所采用数值模拟方法可以准确得到三种模态水动力系数曲线峰值处的频率，但是数值计算所得到的峰值处的结果比理论结果略小，这是由于在数值计算时使用Fluent软件时会产生一定的误差，所以峰值处的水动力系数数值还需要通过模型试验进行对比验证。

2 结语

以CFD理论为基础，以连续性方程和方程为控制方程，对二维矩形月池强迫摇荡运动进行数值模拟获得各模态下的附加质量和阻尼系数，并与线性势流理论计算结果进行比较，两者吻合良好。研究表明，文中所提出的获得水动力系数的方法与传统的线性势流理论计算方法相比，计入非线性等的影响；与物理模型试验相比，具有更加快捷高效、无尺度效应、费用低廉等优点。

参考文献：

[1]Faltinsen O M，Timokha A.Sloshing[M].London：Cambridge University Press，2009.

[2]Miles J W.On the eigenvalue problem for fluid sloshing in a half-space[J].Journal of Applied Mathematics and Physics，1972，23（06）：861-869.

[3]Gupta H，Blevins R，Banon H.Effect of moonpool hydrodynamics on spar heave[C].ASME，2008.

[4]Korpus R A，Falsarano J M.Prediction of viscous ship roll damping by unsteady navier-stokes techniques [J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，1997，119：108-113.

[5]Chang H X，Miao G P，Liu Y Z.Numerical simulation of viscous flow around a rolling cylinder with ship-like section[J].China Ocean Engineering，1995，9（01）：9-18.

作者简介：杨柳（1993-），男，硕士，研究方向：港口海岸及水动力学。