受损船舶在斜浪中的三自由度运动响应特性与稳定性机制研究

本研究针对受损船舶在斜浪条件下的稳定性问题，采用VOF自由面捕捉技术和重叠网格策略求解RANS方程，系统分析了DTMB 5415舰船模型在斜浪中的3-DOF运动响应。通过实验验证的数值模拟揭示了船体损伤对滚转(roll)、纵摇(pitch)和垂荡(heave)运动的非线性影响机制，发现斜浪方向对运动响应的显著调控作用，为船舶损伤控制策略提供了重要理论支撑。

　　

在日益复杂的海洋作业环境下，船舶遭遇碰撞或结构损伤后的稳定性问题备受关注。当船体出现破损时，进水舱室与波浪的耦合作用会显著改变船舶的水动力特性，特别是在斜浪条件下可能引发灾难性倾覆。传统研究多聚焦于横浪工况，而对船舶在斜浪（如艏斜浪227°和艉斜浪313°）中的运动响应机制认识不足。针对这一关键问题，中国的研究团队在《Applied Ocean Research》发表了创新性研究成果。

研究采用计算流体力学(CFD)方法，通过求解雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)结合体积分数法(VOF)捕捉自由液面，运用重叠网格技术处理船体运动。关键技术包括：基于五阶斯托克斯波理论的波浪生成与消减系统；SST k-ω湍流模型处理近壁流动；动态重叠网格实现3-DOF（滚转、纵摇、垂荡）耦合求解；以及针对DTMB 5415舰船1/51缩尺模型的实验验证体系。

研究结果部分：

1. 数学模型中，建立了考虑斜浪入射角的双坐标系系统，通过RANS方程和VOF方法精确模拟了水气两相流。控制方程中引入的动量源项有效处理了波浪消减区的能量耗散。

2. 数值验证显示，精细网格（525万单元）下滚转运动模拟误差小于10%，FFT分析证实斜浪工况下运动响应以波浪频率为主导。在波长λ=5.101m时，损伤船舶的滚转RAO峰值比完整状态降低36.5%，揭示进水舱室的阻尼效应。

3. 运动响应分析表明，艏斜浪227°与艉斜浪313°的滚转幅值差异达15%，在波浪频率ω=4.513rad/s（接近固有频率）时出现10.745°的最大滚转角。对比横浪工况，斜浪会激发更强的纵摇运动（峰值3.83°）。

4. 波浪载荷特性显示，斜浪条件下滚转力矩呈现明显非线性特征，FFT谱中出现二倍频分量。在ω=3.228rad/s的长波条件下，进水舱室体积波动标准差达4.4×10^-4
   m³
   ，显著高于短波工况。

5. 舱室进水动力学研究发现，270°横浪导致最剧烈的内部流体运动，其标准偏差比227°斜浪高69%。进水过程呈现周期性"涌入-晃荡"特征，与船体运动形成2倍波频的耦合振动。

该研究首次系统揭示了斜浪方向对损伤船舶稳定性的调控规律：斜浪会通过激发纵摇运动改变传统横浪主导的危险模式；进水舱室同时具有运动放大和阻尼的双重效应；艉斜浪313°比艏斜浪227°更具危险性。这些发现突破了传统仅关注横浪稳定性的认知局限，为船舶损伤控制系统的优化设计提供了新思路，特别是对制定斜浪条件下的应急响应策略具有重要指导价值。研究建立的CFD方法体系也为复杂海况下船舶安全评估提供了可靠工具。