Chinese Journal of Ship Research
船舶月池的阻力与流场特性及其改进型式
10由图 可以看出，在仿真刚开始进行时，由于无人艇距母船较远，故两种情况下其阻力基本一致。当无人艇逐渐靠近母船时，开始出现差异， 2在第 种情况下无人艇由于受尾流影响，其阻力波动更为剧烈，但均值与运动仿真结果基本一致。11由图 可以看出，两种情况下无人艇的侧向力在仿真刚开始时基本一致，几乎为零。驶近后，母船尾流对无人艇运动的影响开始显现，侧向力开始剧烈变化，这与实际情况相符。12由图 可以看出：当无人艇沿着尾流中心线由远及近驶向母船时，其纵倾角最后呈规律性变5°附近周期性波动；当无人艇运动化，航行攻角在方向偏离尾流中心线时，由于受尾流影响，其纵倾角不再规律性变化，而是一直增大，仿真停止时其16°。纵倾角达到13由图 可以看出，两种情况下无人艇的横摇Δl/L=0角差别十分明显。当 时，其横摇角在零轴附近波动，这与实际情况相符。当无人艇运动方向偏离尾流中心线时，其横摇角持续增大，仿真停40°，且有继续增大的趋势，这与止时其横摇角近其侧向力的剧烈变化有关。在这种情况下，无人艇存在倾覆风险，在实际操舵中需要加以避免。同时，由于模拟中限制了无人艇在Y向的平动和绕Z轴的转动，也是出现这种极端情况的原因。在实际运动中，会通过操舵调整航向等措施来避免。14 3图 给出了 个时刻自由液面云图的对比，展示了规则波中无人艇在两种运动情况下由远及近驶向母船的过程，揭示了母船兴波对无人艇运动的影响。当运动方向偏离时，无人艇在复杂尾流中纵向运动，因而稳性受到影响。
5结语
本文对无人艇在母船尾流中的运动进行了仿真，对比了两种运动下无人艇阻力、侧向力、纵倾角和横摇角随时间变化的曲线，具备一定的现实意义。无人艇与母船距离达到一定值时，其尾流的影响才开始显著，这可以为操舵时机提供参考。当无人艇航向不在母船尾流中心线时（这种情况很常见），母船兴波对其运动，尤其是横向运动与横摇，影响显著。若无人艇在靠近母船时不进行减速或操舵操作，可能会发生倾覆；而当其沿母船尾流中心线运动时，过程更加平稳。该结论可为无人艇回收的行驶路线提供参考。下一步研究中，将针对无人艇的运动方向和速度进行多组仿真，以便为操舵提供更具体的建议。同时，也将研究母船尾部螺旋桨对无人艇运动的影响。文中限制了无人艇在Y方向的平动和绕Z轴的转动，这也导致其在偏离尾流中心线运动时出2现横摇过大的情况，后续将会打开这 个方向的PID自由度，为无人艇施加 控制，以探寻避免倾覆风险的方法。
参考文献：
金迎村，张建平，李祥宁，等. 尾滑道式船载小艇收，张晓东，刘世亮，刘宇，等. 无人水面艇收放技术发展趋势探讨［ 中国舰船研究， ［ ［
曹洪建. 基于苏玉民，赵金鑫，陈庆童，等. 滑行艇在规则波中的修. ［］ 董文才，郭日 滑行艇阻力研究进
摘 要：［目的］月池是一种从甲板至船底的贯穿船体的开口结构。船舶航行时，月池内流体的复杂流动会给阻
拟，并对阶梯型与切角型这 种典型月池改进型式的阻力性能进行验证。［结果］结果显示，月池的设置使得船舶总阻力增幅达大降低幅度分别可达
及改进型式月池对月池增阻的改善机理。［结论］月池引起的阻力变化与流场内的周期性漩涡运动密切相关，并
随航速变化有所差异。阶梯型月池增加了流体运动的阻尼，切角型月池缓解了漩涡对后池壁的强烈作用，能够较好
地降低月池引起的增阻。方法；静水阻力；流场分析；漩涡运动
1 430063武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉2 430063武汉理工大学 高性能舰船技术教育部重点实验室，湖北 武汉
0引言
随着当前海洋资源的开发以及海上平台的建设，钻井船等各类工程船舶的运用日益增多。月池常设置于各类工程船舶船舯附近，由甲板直接通向海底，一方面方便作业设备的安装与使用，另一方面也可避免其遭受波浪的影响。池内流体的运动形式通常可划分为垂直方向上的活塞运动和水平方向上的晃荡运动；同时，还伴随着漩涡的运动和自由面的翻卷、破碎，甚至是甲板上浪与船体结构的振动。关于月池相关问题的研究，除了聚焦于船舶在波浪中零速作业时月池对船舶运动的影响外，考虑船舶在迁移状态下池内流体运动对航行阻力性能的影响也至关重要。国内外不少学者通过模型试验及数值方法对由月池引起的阻力增加问题进行了研究，并对月池内的流动、压力分布以及船身周围兴波波型等进行了模拟分析［1-3］。部分学者假设月池振荡幅度与阻力增加成线性关系，结合试验结果，提出了活塞及晃荡振荡模态下的月池附加阻力预报模型［1，4］。由于月池的设置恶化了船舶的阻力性能，因此有必要对月池型式进行改进以降低月池增阻。月池减阻可以通过抑制外部激励对池内流体运动能量的获取和漩涡发展的作用，或是增加池内流体运动的阻尼耗散漩涡运动能量，来减小池内流体的振荡幅度［5］。还有部分学者通过改变相关尺寸参数，验证了设置阶梯平台、切角、阻尼板、栅格板以及更加复杂型式的月池对改善月池增阻的效果，以优化月池的型式［1，6-9］。目前，有关月池及其改进型式的流动细节与阻力变化关系的研究较少，而月池内流体复杂的流动是其影响船舶阻力的主要因素，因此，有必要分析其非定常流动现象与增阻机理。计算流体动力学（CFD）数值方法能够准确计及流动粘性及自由液面的影响，直观地捕捉流场细节，本文将利用该方法模拟带月池船舶的静水航行，通过分析各阻力成分，得到月池对船舶阻力性能的影响，并详细剖析不同航速下流场的复杂流动现象，探究月池增阻的原因，同时以阶梯型月池和切角型月池为例，研究其在改善月池增阻与流场特性方面的效果。
1 数值方法与研究对象1.1 控制方程与数值求解
RANS采用 方法模拟粘性不可压缩流场，流
利用船型的对称性，使用半模型进行计算， 2图 示出了该船模的计算域及各边界类型。计算4.5L，半宽 2L，自 0.4L，自域全长 由面以上高 由面0.8L。计算域的入口、顶面、底面及侧面均以下深设置为速度入口类型，计算域的出口设置为压力出口类型，与船舯纵剖面重合的边界面设置为对
1.3 CFD计算验证
为确定数值求解时网格划分的合理性，采用3 4所套不同尺寸的网格方案进行了验证，如图模（Ship A），示。网格验证对象为不带月池的船2.196 m/s。表 2计算航速为 所示为采用各网格方根据以上选取的网格方案，对流场特性予以5进一步验证。图 显示了船体表面y +分布情况。100由图可见，大部分区域的 y+值在 附近，与网格6 7划分时的设定基本相符。图 和图 所示为船舶航行兴波波型及船身波面抬高的计算结果，由图可见，均与试验结果［11］吻合。CFD以上计算验证了本套 数值计算方案具有一定的可靠性。在对带月池模型（Ship B）进行计算时，其网格划分参考了上述网格方案，并对月池区域进行了网格加密，划分的网格总数约为315万。