基于CFD 方法的7800PCTC艏部结构波浪砰击预报

周恩鑫，张吉萍，杨阳，夏小浩

（1.浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山 316022；2.舟山技师学院，浙江 舟山 316012；3.扬帆集团股份有限公司，浙江 舟山 316100）

砰击现象是船舶在航行过程中常见的现象，这种局部的强度问题要给予重视[1]。王珂[2]利用有限元软件对一艘LNG 船的艏部结构进行入水砰击研究，分析了这艘船的纵向、横向曲率以及入水速度对砰击压力值的影响；张智[3]利用Fluent 软件，模拟不同高度自由下落的三维楔形体，得到其加速度、位移以及压力分布随时间的变化，并提出一种预报方法；陈震[4]基于有限体积法，通过改善球鼻艏的曲率分析影响砰击压力的因素；Meyerhoff[5]提出三维结构物在研究砰击压力时，需要根据其长宽比参数减小砰击压力，原因是三维特征的砰击压力具有衰减特性；Scolan[6]在他人研究基础之上，基于扰动法，分析了轴对称物体的砰击，并在三维物体砰击问题中应用。

1 砰击压力理论公式

冲量砰击原理[7]中砰击压力受时间和位置影响，其计算公式如下：

对公式求导可得极值点，即砰击发生的最大值和位置：

2 建立模型

2.1 船体外壳

7800 汽车运输船尺度见表1，利用STAR-CCM+强大的前处理模块导入全船湿表面模型。模型如图1 所示。

表1 7800PCTC 主尺度

图1 7800PCTC 整船模型

2.2 造波水池

三维数值水池的网格划分采用自动网格。网格划分如图2 所示，船体采用DBFI 六自由度刚体运动模型建立，另外自由液面处也进行加密，加密高度约为一倍规则波波高[8]。

图2 水池网格划分示意图

2.3 布置压力监测点

为了更好地监测船舶外表面各部位的波浪砰击压力，以及具体分析压力分布与波浪参数等因素的关系，本文选取了15 个代表性较强的监测点。

图3 监测点布置图

3 波浪统计参数工况

在方钟圣[9]编写的西北太平洋波浪统计集中对南海的区域划分比较详细且数据全面，是对中国南海海域的海浪资料最权威的统计。因此，本文选用西北太平洋波浪统计集来计算南海海域的海况，但同时由于缺乏极限海况下的波浪基本参数，因此，采用波陡近似原则，通过已知的南海百年一遇短期海况[10]，求出南海的随机波波陡：

式中：Ss—随机波波陡，即波高比波长；Hs—有义波高；Tz—平均跨零周期。根据已知的南海风暴短期海况Hs=13.3m，Tz=11s，代入式（3）得南海波陡=0.07。

规则波波高HMAX 与有义波高HS 的关系如下：

根据以上公式可以求得极限工况下百年一遇规则波波高24.7m，波浪周期11s，波陡0.07。

具体工况参数见下表2。

表2 波浪工况表

4 波浪砰击结果模拟

4.1 砰击压力时历曲线

4.1.1 低海况

图4 所示为 T=9s、H=7.5m 时 FR222 以及船最首端下部监测点压力时历曲线。从图中可以看出，越接近水面的结构位置处，其砰击压力越大，砰击压力大小与垂向高度紧密联系，同时注意到P5、P10 和P14 出现了明显的负压现象。

图4 T=9s、H=7.5m 时各站位监测点压力时历曲线

4.1.2 高海况

图5 所示为极限海况时FR222 以及船最首端下部监测点压力时历曲线。

图5 T=11s、H=24.7m 时各站位监测点压力时历曲线

在高海况下，各个站位测得的压力峰值大小都高于低海况，砰击压力时历曲线更为陡峭，此时，垂向砰击压力对总压力大小的贡献比例远高于横向砰击压力。船艏柱表现出明显的砰击周期现象，在30s 的监测时间中，出现三次周期峰值，与此时的波浪周期较为贴合，即每个周期出现一次砰击。

5 总结

通过采用STAR-CCM+软件模拟7800PCTC 在南海海域中航行时将要承受的波浪砰击压力，得出以下结论。

（1）在各海况下，对于同一高度的监测点，随着监测点距离船首的增加，监测点砰击压力均出现减小的趋势；在同一站位的监测点，随着监测点高度的降低，波浪砰击压力不断增加；在高海况下，波浪垂向砰击压力作用对砰击压力总大小的贡献占比要高于横向砰击压力；在各海况下，都出现明显的负压效应，CFD 技术为准确预测结构上的负压位置，提供了强有力的帮助，能够为防止负压破坏结构提供依据。

（2）CFD 数值仿真技术预报波浪作用于船首结构的砰击压力，避免了理论研究无法准确描述负压情况出现时间和空间方面的缺点，还可以得到详细的流场数据如压力场等；可视化程度高，能够方便对砰击压力的产生机理和船体结构减损进行深入细致地分析。