1、SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 63 基于基于 RANS/LES 混合方法的近岸水域混合方法的近岸水域 波浪增阻影响的数值模拟波浪增阻影响的数值模拟 黄鑫伟a，程志友a，胡 健a，胡 成b（重庆交通大学，a.航运与船舶工程学院；b.土木工程学院，重庆 400074）摘 要：摘 要：分析船舶在近岸水域航行时所受波浪增阻大小的影响因素，以寻求降低波浪增阻的方法。基于近岸水域中船舶阻力理论，采用雷诺平均（RANS）和大涡模拟（LES）相结合的方法进行数值求解，并运用两相流方法和造波消波技术建立数值水池模型。用
2、 Fluent 求解器对船舶在不同工况下的波浪增阻进行数值模拟。试验结果表明：用该方法对近岸水域航行的船舶进行波浪增阻的数值模拟可有效提高计算机运算效率，在粗糙网格层面上得到的计算结果精度良好；船舶在近岸水域中航行时的波浪增阻随波高的增加而增加，并且与船体湿润面积呈正相关；船舶在近岸水域以中低速航行时所受波浪增阻随弗劳德数的增加而增加。该研究为近岸水域通航船舶减小航行阻力提供了可行的方法与思路。关键词：关键词：RANS/LES 混合方法；近岸水域；波浪增阻；数值模拟 中图分类号：中图分类号：U661.1 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.1
3、0 Numerical Simulation of Influence of Rough Drag in Coastal Waters Based on RANS/LES Hybrid Method HUANG Xinweia,CHENG Zhiyoua,HU Jiana,HU Chengb(Chongqing Jiaotong University,a.School of Shipping and Marine Engineering;b.School of Civil Engineering,Chongqing 400074,China)Abstract:The influence fac
4、tors of rough-sea resistance on ships sailing in coastal waters are analyzed to find ways to reduce rough-sea resistance.Based on the ship resistance theory in near shore waters,the numerical solution is carried out by combining Reynolds average Navier Stokes(RANS)and large eddy simulation(LES),and
5、a numerical pool model is established by two-phase flow method and wave generation and elimination technology.The Fluent solver is used to simulate the rough-sea resistance of ships under different working conditions.The experimental results show that:the numerical simulation of rough-sea resistance
6、 of ships sailing in near shore waters can effectively improve the computational efficiency,and the computational result son rough grid level are of good accuracy;the rough-sea resistance of a ship in near shore waters increases with the increase of wave height and is positively correlated with the
7、wet area of ship hull;with the increase of Froude number,the resistance to ships sailing at low and medium speed in near shore waters increases.A feasible method and thought are provided for reducing the resistance of ships sailing in near shore water.Key words:RANS/LES hybrid approach;coastal water
8、;rough wave resistance;numerical simulation 0 引言引言 减少船舶污染排放、提高能效、降低运营成本对现阶段的水路运输来说尤为重要。研究船舶阻力既可以改善船舶航行速度，又可以降低能量消耗。船舶阻力由黏性阻力、兴波阻力和附加阻力构成，而附加阻力又可分为附体阻力、空气阻力和波浪增阻。其中波浪增阻相关的研究比较少，因此，对波浪增阻还需要投入大量的研究。收稿日期：2021-11-13；修回日期：2022-04-15 作者简介：黄鑫伟（1996），男，硕士研究生。研究方向：水力学及河流动力学、水动力学和数值模拟。通信作者：程志友（1979），男，博士、副教授。研
9、究方向：船舶与海洋工程、通航安全评估。船舶设计、船舶结构和性能 64 国内外研究波浪增阻主要采用 CFD 数值模拟、拖曳水池试验法和机器学习等手段。ZENG 等1-2通过数值模拟和船模试验研究了浅水区域垂直受限水道中船舶黏压阻力的影响因素以及兴波阻力的尺度效应；XIE 等3讨论了 Wigley 船体周围自由表面紊流的计算，探讨了影响黏性阻力的相关因素；KIM 等4采用三维势方法对海上航道的附加阻力和船速损失进行了探讨，给出了对限制海域中船速损失和附加阻力较为准确的预估；SIGMUND 等5对比了不同船体在长短波中的附加阻力，探讨了船型和波长对船舶附加阻力的相关影响；EL MOCTAR 等6通过
10、数值水池试验，对波浪增阻进行了数值分析，给出了可行的试验方法并讨论了波浪增阻的相关影响因素；CARRICA 等7运用 Overset 方法模拟了 2 种船模在波浪中的运动响应，所得结果与试验结果吻合度较高；沈志荣等8利用 Naoe-FOAM-SJTU 求解器计算分析了 Wigley-型船模在迎浪中的运动响应，计算结果与试验结果吻合较好；XIAO 等9采用高阶谱方法（Higher-Order Spectrum,HOS）模拟三次非线性不规则波场，采用结合HOBEM 的朗肯源方法计算船舶波势和扰动势，进一步建立了船舶在非线性波浪中匀速前进的运动方程，并用该方法对波浪阻力进行了预测；YANG 等10基
11、于神经元机器学习算法，提出了一种基于径向基函数神经网络（Radial Basis Function Neural Network,RBFNN）的船舶阻力预测方法，计算结果的精度与修正的海军系数相比有了较大的提高。以上这些研究主要阐述了计算波浪增阻的方法，并各自验证了方法的可行性，但没有系统地讨论在特定航道中影响波浪增阻的因素。在采用数值模拟研究湍流离散时，较为常见的是雷诺时均法（Reynolds Average Navier Stokes,RANS）以及大涡模拟法（Large Eddy Simulation,LES），近几年出现了一种RANS/LES 混合的新型方法，主要应用在航空动力以及分离
12、流的研究中。文献11-13阐述了运用 RANS/LES 混合方法进行湍流模型数值计算，用以解决实际工程中的问题，研究表明该方法在特定的网格计算下精度良好。本文运用RANS/LES混合方法进行波浪增阻的数值模拟。考虑近岸水域所具有的限制条件，根据近岸水域波浪传播的特点，结合船舶阻力理论建立船体运动模型，依据RANS/LES 混合方法所需划分亚尺度网格，采用两相流技术以及造波消波技术对流体自由液面进行处理，并用基于 C 语言的用户自定义功能（User-Defined Function,UDF）对流体边界条件和相关计算参数进行定义，使用Fluent 求解器进行数值模拟计算，计算得出船舶的运动响应情况
13、、船体周围的流场状态以及波浪增阻的数值，在符合求解精度的条件下提高了数值运算效率，在先前研究的基础上，扩展地分析了船舶运动响应、波高、弗劳德数等因素对波浪增阻的影响。对本文案例中的造波效果以及波浪增阻的数值进行了验证，表明了基于 RANS/LES 混合方法的数值模拟方法具有适用性。本文为波浪增阻的数值模拟提供了较为新颖的可行方法，研究结论可为近岸水域航行船舶的减阻节能提供理论依据。1 理论及模型理论及模型 1.1 波浪增阻波浪增阻 根据船舶快速性理论14，船舶附加阻力通常由附体阻力、空气阻力和波浪增阻组成，在船型一致的情况下，附体阻力可忽略不计。此时的波浪增阻在不考虑风速影响的环境下，可近似为
14、平均振荡总阻力减去静水阻力。静水阻力是船舶在静水面行驶受到的阻力，船舶在波浪中行驶受到的阻力为平均振荡总阻力。波浪增阻及船舶运动相关参数的表达式为?ATCRRR=-（1）?AAW22wR LCgB A=（2）?w=2LA （3）wzzA=?（4）式（1）式（4）中：?AR、RT和 RC分别为波浪中的波浪增阻、总阻力和静水阻力；CAW为波浪阻力系数；L 为船长；为水流密度；g 为重力加速度；B 为船宽；Aw为波浪振幅；和 z 分别为纵摇振幅和纵坐标上的升降。1.2 船模及运动坐标系船模及运动坐标系 Wigley-型船模是一种数学船体模型，常用于船舶运动的科学试验中。Wigley 船的数学表达通式
15、为 22sssP1214xzyBLD|=-|（5）P0.062 5D L=（6）P0.1B L=（7）式（5）式（7）中：xs、ys和 zs分别为船体坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；D 为吃水；LP为静水时的水线长。JOURNE15对 4 种 Wigley 船模进行了试验，探讨了船舶在迎浪中的运动和受力情况。结果表明，Wigley-型船模与标准船模最为相似且计算精度相对较高。本文的数值模拟均采用Wigley-型船模，其型线图见图 1。SHEN 等16用 RANS 法对船舶在迎浪中的运动响应和波浪增阻进行了数值模拟，所选取的Wigley-型船模主尺度在数值模拟中的效果较好，故本文采用与其相
16、同的模型主尺度。Wigley-型船模主黄鑫伟等，基于 RANS/LES 混合方法的近岸水域波浪增阻影响的数值模拟 65 尺度数据见表1。图1 Wigley-型船模的型线图 表 1 Wigley-模型主尺度 主尺度 数值 主尺度 数值 中横剖面系数 Cm 0.666 7吃水 D/m 0.187 5船长 L/m 3.0 型深h/m 0.387 5型宽B/m 0.3 排水体积/m30.078 根据船舶六自由度运动理论，采用右手坐标系 x、y 和 z 对船体定义运动坐标系（见图 2），其中：x 轴指向船头；y 轴指向左舷。围绕 x、y 和 z 轴的旋转运动的角位移分别为横摇、纵摇和艏摇，角度 为船舶相对于入射波的航向角。图 2 船体运动坐标系 1.3 近岸水域的船舶航行理论近岸水域的船舶航行理论 船舶在近岸水域中航行可近似为船舶在浅水狭窄航道航行。浅水引起流场变化，导致黏性阻力增大；同时，浅水效应造成船底流速增加、压力降低，从而使船体下沉吃水增加，改变船体航行状态。另外，近岸水域不能忽略岸壁引起的波浪回流，因此，在进行数值模拟时要选择合理的消波技术。文献1-2,17对船舶在浅水区域航行的尺度效
