《Journal of Marine Science and Engineering》：Numerical Study on Wake Wave Characteristics Around a Transom Stern Vessel
Huarong Xie,
Xiaobin Yang,
Yiding Hu,
Binrui Yang,
Ping Wei and
Weige Liang
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本研究针对平尾船体（transom stern）在高航速下产生的复杂自由液面流动、尾流演化及空气夹带现象，开展了高保真三维数值模拟研究。研究人员采用基于块结构自适应笛卡尔网格（block-adaptive Cartesian grid）的数值方法，并结合流体体
本研究针对平尾船体（transom stern）在高航速下产生的复杂自由液面流动、尾流演化及空气夹带现象，开展了高保真三维数值模拟研究。研究人员采用基于块结构自适应笛卡尔网格（block-adaptive Cartesian grid）的数值方法，并结合流体体积法（Volume of Fluid, VOF）等界面捕获（interface-capturing）技术，对不同弗劳德数（Froude number, Fr）工况下的船体绕流进行了系统分析。研究重点探讨了尾流的瞬态发展过程、弗劳德数对尾流拓扑结构（包括波峰纵向迁移及尾流扩展角）的影响规律、水下气泡分布特征以及相干湍流涡结构的演化机制。研究结果表明，随着航速增加，流动状态由湿润（wetted）向干燥（dry）转变，并伴随显著的尾流收缩（wake narrowing）现象；艏部波浪崩破与艉部平尾分离及鸡尾波（rooster tail）崩破是水下空气夹带的主要机制，且湍流涡结构与界面失稳及空气夹带过程存在强空间相关性。本研究为高航速平尾船体的水动力性能优化及声学特征分析提供了重要的理论依据。
论文解读
研究背景与意义
平尾船体因其优异的高速航行性能被广泛应用于现代船舶设计中。然而，在高弗劳德数（Fr）工况下，平尾船体周围会产生极其复杂的自由液面流动现象，包括剧烈的波浪崩破、显著的空气夹带（air entrainment）以及复杂的湍流尾流。这些现象不仅影响船舶的阻力性能和推进效率，其产生的水下气泡云和湍流结构还会显著改变船舶的尾流特征和水下声学特征。目前，针对高航速平尾船体尾流演化的精细结构、空气夹带的动态机制以及弗劳德数对尾流拓扑结构定量影响的系统性数值研究仍相对不足。因此，研究人员开展了此项高保真数值模拟研究，旨在深入揭示平尾船体尾流与空气夹带的复杂物理机制，这对于优化高速船舶设计及评估其水动力与声学特性具有重要的工程应用价值。该研究成果发表在《Journal of Marine Science and Engineering》期刊上。
关键技术方法
为实现对复杂自由液面流动的高精度捕捉，研究人员采用了基于块结构自适应笛卡尔网格（block-adaptive Cartesian grid）的数值方法。该技术策略通过在船体表面、初始自由液面以及自由液面曲率较大的区域（如波峰、波谷和湍流崩破区）进行动态局部网格加密，有效平衡了计算效率与界面捕捉精度。在物理建模方面，研究运用流体体积法（Volume of Fluid, VOF）作为界面捕获（interface-capturing）手段，以精确追踪气液两相界面的演变。此外，研究引入了Q准则（Q-criterion）用于识别和可视化流场中的相干湍流涡结构（coherent turbulent vortex structures）。通过改变入口流速，研究人员设置了涵盖多个弗劳德数（Fr）的工况条件，并对不同网格密度配置进行了网格收敛性验证，确保了数值结果的可靠性与独立性。
研究结果
计算域、边界条件与网格独立性验证
研究人员构建了包含流向前方、展向和垂直方向的三维计算域，并施加了均匀入流、质量守恒出流、对称以及底部不可穿透滑移等边界条件。通过网格收敛性研究，对比了三种不同自适应加密等级下的自由液面波形。结果显示，虽然宏观波形在不同网格密度下一致性较高，但细密网格（Level 3–8）能更精确地捕捉到崩破波的尖锐波峰和尾流中的细观湍流尺度。因此，研究采用了混合策略：宏观尾流分析使用中等网格（Level 3–7），细观湍流结构解析使用细密网格（Level 3–8）。
平尾船体尾流的发展演化
尾流的时间演化过程可划分为三个截然不同的阶段：初始形成阶段（t = 0.05–0.2）、过渡扩展阶段（t = 0.2–1.0）和完全发展阶段（t = 1.0–1.25）。在初始阶段，尾流处于萌芽状态，仅可见微小的扰动；进入过渡阶段后，尾流横向扩展，湍流混合加剧，剪切层相互作用导致大尺度相干结构破碎；最终在完全发展阶段，瞬态启动效应消散，尾流达到准稳态（quasi-steady state），形成宽阔的V形发散波包络。同时，艏部波浪崩破过程也从初期的驻点压力抬升、波峰翻卷 plunging，逐渐稳定为连续的白色水花结构。
不同弗劳德数条件下的尾流特征
弗劳德数（Fr）对尾流拓扑结构具有决定性影响。随着Fr升高，尾流扩展角显著减小，即发生“尾流收缩”（wake narrowing）现象，发散波特征长度（diverging wave characteristic length）随之缩短。主波峰（鸡尾波波峰）的位置随Fr增加而向下游单调迁移。在流动状态方面，低速时平尾处于湿润（wetted）状态，水流在平尾后方形成混沌的再循环区；当Fr超过特定阈值（如Fr=2.26）时，流动转变为干燥（dry）或完全通气（ventilated）状态，水流从平尾锐利底边缘清洁分离，并在平尾后方形成平滑的“平尾凹陷”（transom hollow）。
空气夹带
水下气泡的生成主要集中在两个区域：艏部和艉部尾流。艏部气泡源于艏波的 plunging breaking，被流动挟带并沿船体侧面平流输运，形成细长的气泡流线（bubble streamers）；艉部气泡则源于高速流动分离与鸡尾波崩破的剧烈相互作用，形成大规模的V形气泡云。时间历程统计显示，水下气泡数密度（bubble number density）在经历初期快速积累后达到动态平衡状态，而总夹带空气体积则因大气穴的形成、破碎和脱气而持续表现出高频振荡。
湍流涡结构
基于Q准则的可视化分析揭示了湍流涡结构与界面失稳的强空间相关性。艏部区域，翻卷的自由液面产生强剪切层，进而卷起形成主要的展向涡（spanwise vortices），随后破碎为三维流向涡（streamwise vortices），维持了气泡流线的存在。在艉部区域，平尾锐边诱导的大规模流动分离产生了密集的小尺度涡团，形成了厚重的剪切层。这些高涡量（high-vorticity）结构是克服表面张力、导致自由液面物理崩解并维持尾流中体积空气夹带的主要驱动力。
讨论与结论
研究讨论了弗劳德数对尾流拓扑结构和流动状态的深刻影响，指出尾流收缩现象与表面重力波的色散特性密切相关（波长与速度平方成正比）。同时，研究明确了艏部与艉部两种不同的空气夹带机制，并强调了湍流涡结构在水气混合过程中的核心驱动作用。
综上所述，研究人员通过高保真数值模拟，成功揭示了平尾船体周围自由液面变形、多相流动与湍流结构之间的复杂水动力相互作用。研究表明，尾流演化经历三个阶段并最终形成V形发散波；Fr增加导致流动由湿润转为干燥，并引发尾流收缩与主波峰下移；空气夹带主要由艏波崩破和艉部流动分离/鸡尾波崩破引起；高涡量结构是维持空气夹带的关键。该研究为高速平尾船体的设计与声学特征分析提供了宝贵的见解。
