多分辨率网格线性时域势流模型LiST在船舶耐波性分析中的应用与验证

研究人员针对传统CFD方法计算成本高、势流理论在船舶耐波性分析中精度不足的问题，开发了基于Rankine面元法的线性时域势流模型LiST。该模型采用多分辨率网格和间接求解策略，实现了对Wigley船型、RIOS散货船和S175集装箱船在静水和波浪中运动的精确模拟，验证了模型在波浪阻力、辐射/绕射载荷和运动响应预测方面的有效性。研究结果为船舶耐波性分析提供了高效可靠的计算工具，为后续非线性扩展奠定了基础。

　　

在船舶设计与运营领域，准确预测船舶在波浪中的运动响应始终是核心挑战。传统计算流体动力学(CFD)方法虽能提供高精度结果，但其巨大的计算成本使其难以应用于早期设计阶段或大规模参数研究。而现有的势流理论方法在处理船舶前进速度效应时，往往采用遭遇频率近似等简化假设，导致精度受限。特别是在处理具有高弗劳德数(Fr)或钝型船体的复杂工况时，现有方法的局限性更为明显。

针对这一技术瓶颈，研究人员开发了名为LiST(Linear Seakeeping Time-domain)的创新模型。该研究采用基于Rankine面元法的时域势流理论框架，通过双体流模型考虑前进速度效应，并引入多分辨率网格技术实现计算效率与精度的平衡。研究团队首先验证了模型在Wigley船型静水阻力预测中的准确性，波型剖面和波浪阻力系数与实验数据吻合良好。随后通过对RIOS散货船和S175集装箱船在顶浪和随浪条件下的运动响应分析，证实模型能准确捕捉垂荡(heave)和纵摇(pitch)响应的共振特性。

关键技术方法包括：1)基于Rankine源的面元法求解器，采用常强度面元简化计算；2)多分辨率非结构网格技术，在船体附近加密网格；3)脉冲响应法获取频域响应算子(RAO)；4)人工阻尼区处理辐射边界条件；5)数值滤波抑制高频不稳定性。

在"4.1. Calm water case"章节中，研究以Wigley船型为对象，在Fr=0.316条件下验证了静水阻力预测能力。结果显示，当自由面网格分辨率达到dx=dy≈0.02L时，波浪剖面与实验测量误差小于5%，证实了多分辨率网格的有效性。"4.2. Response of a bulk carrier in head waves"章节重点分析了RIOS散货船在顶浪中的水动力特性。通过辐射/绕射分解，获得的附加质量A₃₃^∞和阻尼系数B₃₃与实验数据误差小于10%，特别是在高频区域(ω√(L/g)>2)表现出色。"4.3. Response of the S175 in head and following waves"章节则展示了模型在复杂船型上的适用性。虽然线性假设导致垂荡共振峰值高估约26%，但相位预测和整体趋势与ITTC实验数据高度一致。

研究结论部分强调，LiST模型通过创新的数值处理方法和高效的多分辨率网格策略，成功实现了对船舶线性耐波性问题的快速准确求解。特别是在处理前进速度效应时，相比传统的遭遇频率近似方法展现出明显优势。模型的计算效率使其适用于工程实践中的参数研究和优化设计，同时为后续纳入非线性效应的扩展研究奠定了基础。讨论部分指出，未来工作将重点改进对S175等具有外飘船型的运动预测精度，并探索在斜浪和尾随浪条件下的应用潜力。

这项发表于《Ocean Engineering》的研究，不仅为船舶耐波性分析提供了新的工具选择，其创新的数值处理方法对计算船舶水动力学领域也具有普遍参考价值。特别是在平衡计算精度与效率方面的探索，为处理更复杂的实际工程问题开辟了新途径。