低傅氏数兴波数值预报的不稳定现象及其解决方案

梁 川，赵 峰

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）

0 引 言

船舶航行于水面，并伴随有相应的船行波，自由液面的存在是船舶性能数值预报的一个显著特征。很长一段时间内，船舶粘性流动和自由面的计算是分开考虑的，即用势流理论方法处理自由面兴波，而另外通过求解RANS 方程来计算船体的粘性边界层，这种分离处理的方法，不能考虑粘性和自由面之间的耦合作用。随着计算机性能的快速提升和相关CFD 算法的深入发展，特别是诸如VOF、Level Set 等自由面捕捉方法的发展和成熟，使得同时考虑粘性和自由液面影响的船舶CFD 技术获得了长足的进步，取得了众多应用成果[1-7]，并愈来愈朝着数值水池应用愿景方向发展[8-9]。

傅氏（Froude）数（式（1））是一个衡量流体惯性力与约化重力（流体质点受到重力与浮力的合力，在其他位置为零，在自由面存在一个阶跃）比值的无量纲参数，是一个区分船舶性能与类别的重要参数，其区分定性作用类似于航空中的马赫(Mach)数。

在采用CFD 技术进行船舶水动力性能研究时，其难点主要在Froude 数范围的两端，即高傅氏数（Fr＞0.5）和低傅氏数（Fr＜0.15）工况。

高傅氏数船舶常见于一些高速快艇，其计算难点主要在于船体兴波作用很大、船体姿态变化剧烈、船体运动与兴波作用强烈耦合等非线性特征突出，相关的CFD技术在不断研究和发展中。低傅氏数船舶常见于大型油轮和超大散货船，随着船舶绿色环保理念的提升，运输船舶越来越向大型化方向发展，对于低傅氏数船舶性能的数值预报也越来越具有显著的工程价值。……