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波浪中受侧壁影响的船舶航行水动力性能研究

摘要

摘要

在海洋平台附近，工作船的水动力性能会受结构物侧壁的影响而下降。基于Rankine源常值面元法，建

立考虑岸壁和波浪作用的船舶水动力数值模型并在时域上求解。选取经典WigleyIII船模计算各波长下的水

动力和运动响应幅值，并将模拟结果与其他方法的计算结果对比，验证了数值研究方法的合理性和可靠

性。通过参数的敏感性分析，揭示航速、波浪特征和侧壁对船模运动响应的影响，为船舶在复杂海域中的

水动力响应实时预报服务。

关键词：侧壁效应；Rankine源法；波浪作用；水动力

0引言

船舶在超大型浮式平台附近作业时，受到波浪和平台侧壁的双重作用，水动力性能更为复杂[1]。

对于波浪中航行的船舶水动力性能，广泛运用基于势流理论的计算方法。Sclavounos等[2]将频域上的

Rankine源面元法应用于有航速船舶的计算，得到的Wigley和S60船舶的水动力系数和运动响应与试

验结果非常一致。Xie等[3]采用线性化自由水面条件，考虑m项（速度势的二阶导数项）对物面条件

的影响，对S60船的辐射波形、绕射波形、水动力系数和运动响应进行了计算和分析，但是仅限于

Brard数大于0.25的情况。为了将Rankine源法应用于全频率，还提出了防止外边界反射波污染计算域

的数值处理技术。Das等[4]和Yuan等[5]通过控制表面散射波的多普勒频移来校正Sommerfeld辐射条件，

其数值结果与试验结果相近。Yasuda等[6]在计算区域水面末端添加Rayleigh人工阻尼系数来抑制波的

反射，应用频域边界元法研究有航速船舶的三维耐波性。但是使用Sommerfeld辐射条件的计算代码过

于复杂，而使用人工阻尼系数的方法又需要经过大量数值试验才能确定系数。时域Rankine源法与频

域法相比更灵活，可研究自由面和物面非线性以及船舶大幅运动等问题，尤其是在计算有航速船舶的

耐波性时比频域法应用更广泛。Kim等[7]基于时域Rankine源法开发了WISH程序，用于预测船舶的

线性和非线性运动以及波浪载荷。He等[8]提出了一种基于高阶边界元和时间迭代的时域数值模拟，以

研究船体形状对水动力的影响。

船舶航行中的另一个重要研究课题是侧壁效应。Yuan等[9]采用三维Rankine源法研究波频率和前

进速度等参数对侧壁效应的影响，对一艘在拖曳水池内航行的船舶受到侧壁的影响进行仿真，并与试

验数据进行比较。Chen等[10]基于镜像格林函数和一阶泰勒展开的边界元法建立了新的数值模型，用

收稿日期：2023-04-12：修改稿收稿日期：2023-06-19

108中国造船学术论文

于研究波浪水槽中考虑侧壁效应的流体动力性能。船舶在码头靠泊时情况更为复杂。张松[]应用CFD

方法和动网格技术，对S60船模在有限水域中的下沉和纵倾进行数值模拟，考虑了船速、码头和浅水

的影响，计算结果与实际符合。但是上述考虑侧壁效应影响的研究有的未考虑波浪参数的影响，而有

的方法计算时间过长。

本文对波浪中受侧壁影响的航行船舶，建立基于Rankine源常值面元法的耦合数值模型。在物面

边界上考虑定常绕流对其摇动的干扰，即m项；在自由液面上采用人工阻尼层，以减少反射波对计算

域的不利影响。选取WigleyI数学船型作为研究对象，通过与试验结果以及其他数值模拟结果的对

比，验证该方法的准确性。在此基础上，对影响参数进行敏感性分析，研究航速、浪向和侧壁对

WigleyIII船模在波浪中运动性能的影响。

1数值计算模型

1.1势流理论和运动方程

选用经典WigleyI船模在波浪中航行的案例进行分析，并考虑侧壁的影响。如图1所示，建立

两个右手坐标系：固定坐标系O-xyz和参考坐标系Oo-xoyozo。固定坐标系的坐标原点O位于静水面，

z轴垂直向上，x轴的正向为船舶前进方向。参考坐标系随船舶一起以匀速U运动，其原点Oo位于静

水面，xo轴指向船舶前进方向，zo轴垂直向上。当零航速，即U=0时，这两个坐标系重合。

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