高速船舶船首波翻卷破碎抑制方法研究

《Applied Ocean Research》：Research on the suppression method of bow wave plunging breaking for high-speed ships

　　

高速船舶的船首波翻卷破碎是气泡尾流（bubble wake）的主要原因之一。降低船首波翻卷破碎的严重程度有助于减轻气泡尾流的形成，从而增强船舶的隐身性能。本研究旨在减轻弗劳德数（Fr）在0.4至0.5之间的高速排水型船舶的船首波破碎。采用延迟分离涡模拟（DDES）方法对船首波翻卷破碎现象进行数值模拟。首先，在对应于Fr = 0.41、0.45和0.494的三个速度下进行模拟。结果表明，这三个高速下的破碎行为表现出一定的相似性，均表现为具有两个明显疤痕和三个清晰可见的翻卷事件的翻卷破碎。以Fr = 0.45为代表工况，基于流线分析了参与船首波翻卷破碎过程的水层的起源和结构。确定抑制船首波翻卷破碎应主要针对第一次翻卷事件，并据此提出了一种用于抑制船首波第一次翻卷的附体装置。数值模拟结果表明，所提出的附体在Fr = 0.45下能显著抑制船首波破碎。此外，通过调整附体的垂直安装位置，在Fr = 0.41和Fr = 0.494下也实现了显著的抑制效果。最后，研究了附体几何参数的影响。本研究的发现为抑制船首波翻卷破碎提供了有价值的见解和一种潜在方法。

高速船舶航行时，船首波翻卷破碎是产生气泡尾流（bubble wake）的主要原因之一，气泡尾流具有显著的光学和声学特征，易被尾流自导鱼雷探测，威胁船舶隐身性。当前研究多集中于翻卷破碎的数值模拟方法及机理分析（如波面特征、翻卷模式等），但缺乏有效的抑制手段。针对这一问题，Qian Chen、Zhihua Liu、Wentao Liu和Weixin Xue（海军工程大学）以DTMB 5415船模为对象，在弗劳德数（Froude number，Fr）0.4~0.5的高速区域内开展研究，旨在通过设计附体装置抑制船首波翻卷破碎，提升船舶隐身性。论文发表在《Applied Ocean Research》。

研究人员采用的关键技术方法包括：基于延迟分离涡模拟（Delayed Detached Eddy Simulation，DDES）的湍流模型，耦合流体体积（Volume of Fluid，VOF）方法捕捉气液界面；计算域设为虚拟拖曳水池，利用Star-CCM+软件生成网格，并对船首波区域进行局部加密；通过网格收敛性分析（三套网格，细化比r_G=2）和时间步长影响研究（0.001s至0.000125s）确保计算精度；在Fr=0.35下与Olivieri等人（2007）和Wilson等人（2007）的实验数据（包括阻力、波面轮廓、水下速度场等）进行验证，证实DDES方法能准确模拟翻卷破碎的主要特征。

研究结果如下：

### 3.1 不同速度下船首波破碎对比
在Fr=0.41、0.45和0.494三个高速工况下，船首波均呈现翻卷破碎（plunging breaking）形式，可清晰观察到两个明显疤痕（scars）和三次翻卷事件（plunging events）；随速度增加，破碎范围和强度逐渐增大。

### 3.2 高速船首波流线分析
以Fr=0.45为代表，通过分析不同垂向位置（Z=0m至-0.04m）的流线发现，船首波翻卷破碎主要发生在表层水（Z=0m至-0.02m），流线相互交织；而在更深水层（Z=-0.03m至-0.04m）流线平滑。进一步分析表明，第一次翻卷事件的水流来自船首表面水沿船体攀爬后向外翻落，第二次翻卷则部分来自第一次翻卷落水与正面来流的碰撞，因此第一次翻卷是整个翻卷破碎过程的主导因素。

### 3.3 船首波翻卷破碎的抑制
基于第一次翻卷的主导作用，研究人员设计了安装于船首近自由面的附体装置（appendage），其下表面呈拱形，前端为弧形以减小冲击。在Fr=0.45下安装后，数值模拟显示船首波峰高度显著降低，翻卷破碎被有效抑制：波面无明显疤痕和多次翻卷，波面平滑；同时总阻力下降5.2%（从213.66N降至202.52N），残余阻力减少，而摩擦阻力变化较小；纵倾角增大（-0.870°变为-1.045°），垂荡值减小（-0.0287m变为-0.0249m）。不同截面的波面曲线从褶皱变为平滑，自由面以下气穴消失；流线显示表层水流沿附体下表面向后流动，未从两侧溢出。

### 3.4 不同速度下船首波翻卷破碎抑制效果
将附体垂直安装位置调整后（Fr=0.41时上移0.03m，Fr=0.494时下移0.01m），在Fr=0.41和0.494下同样实现了对翻卷破碎的有效抑制，阻力分别降低2.59%和4.62%，波面平滑且无多次翻卷。若安装位置固定不变，在Fr=0.41时附体完全浸没，仅降低波高但未能有效抑制翻卷；在Fr=0.494时附体下表面高于自由面，可抑制翻卷但两侧出现溅水。因此附体抑制效果与其相对于自由面的位置密切相关。

### 3.5 附体几何参数的影响
保持附体下表面尾缘中点位置不变，分别改变长度（①线0.717m、0.817m、0.917m）、宽度（②线0.17m、0.34m、0.51m）和高度（③线0.0175m、0.035m、0.0525m）。通过计算船首波破碎范围内自由面面积及其抑制率（S_r）发现：长度过短或过长均会降低抑制率（20.52%、23.17%、22.90%），宽度影响显著，宽度过小严重削弱抑制效果（16.38%、23.17%、22.12%），而高度对抑制效果影响较小（23.00%、23.17%、23.04%）。

在讨论中，研究人员指出附体的抑制效果依赖于其与自由面的相对位置，船舶姿态变化会改变附体浸没状态，从而影响性能，未来需优化形状以适配更广的高速范围（Fr=0.4~0.5）。

结论部分翻译如下：
(1) 在Fr=0.4~0.5的高速范围内，船首波破碎表现为翻卷破碎，所有工况均能观察到两个明显疤痕和三次翻卷事件；随航速增加，翻卷破碎范围扩大，强度加剧。
(2) 流线分析结果表明，高速船舶船首波翻卷破碎主要发生在表层水层中，船首波的第一次翻卷是整个翻卷破碎过程的主导因素。
(3) 数值模拟结果表明，所提出的附体方案能在Fr=0.4~0.5的高速范围内有效抑制高速船舶船首波的翻卷破碎。
(4) 附体的长度和宽度对船首波翻卷破碎的抑制效果影响显著，而高度的影响相对较小。