一种用于具有真实海岸水深的高效船舶水动力模拟的新方法

《Ocean Engineering》：A novel approach for efficient ship hydrodynamic simulations with realistic coastal bathymetries

　　

一种新颖高效的船舶水动力模拟模型，用于真实海况条件。六自由度(6DOF)运动的计算精度可与计算流体动力学(CFD)相媲美。弥合大规模波浪场与结构周围近场之间的尺度差距。考虑真实世界的水深地形和真实海况。

# 论文解读：基于非静水压模型的高效船舶水动力模拟方法

## 研究背景与问题

船舶运动与水动力载荷的数值预测是船舶与海洋工程领域的核心课题。传统方法如基于边界元法(BEM)的势流模型虽被广泛应用，但面对大规模问题时会形成稠密非对称矩阵，导致可扩展性差。另一方面，基于雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程的计算流体动力学(CFD)模型虽能解析湍流、波浪破碎等近场物理，但计算成本极高，难以用于包含真实水深地形和多向不规则海况的大规模、长时间模拟。此外，混合方法（如BEM与RANS耦合）虽试图平衡精度与效率，但存在数据插值误差和物理精度损失，且未能在计算效率上实现显著提升。因此，亟需一种统一的数值框架，能在单一模型中同时高效模拟大规模波浪传播和近场船波相互作用，避免外部求解器耦合的复杂性。研究人员基于新开发的非静水压波模型NHFLOW(Bihs and Wang, 2025b)，将其扩展至浮体与船舶水动力模拟，实现了这一目标。该研究发表在《Ocean Engineering》。

## 关键技术方法

研究人员采用以下主要技术方法：(1) 非静水压波模型REEF3D::NHFLOW，基于移动σ坐标网格，使用Godunov型格式和HLL黎曼近似，结合五阶加权本质无振荡(WENO)格式进行通量重构，通过延迟压力校正法求解非静水压；(2) 直接力沉浸边界法(DF-IBM)，通过水平集函数追踪固体边界，在动量方程源项中引入强迫项以模拟浸没结构；(3) 六自由度(6DOF)刚体动力学模型，求解浮体运动方程，并集成至二阶总变差递减(TVD)龙格-库塔时间推进格式中；(4) 准静态系泊模型（用于系泊浮标验证案例）。所有计算采用域分解和消息传递接口(MPI)实现并行化。

## 研究结果

### 3.1 二维自由浮箱
研究人员通过二维数值波浪池(NWT)模拟自由浮箱在规则波中的运动，与Ren等(2015)的实验数据对比。在垂荡、纵摇和纵荡三个自由度上，归一化平均绝对误差(NMAE)分别为3.35%、9.70%和2.81%，表明模型能准确捕捉浮箱的运动响应。

### 3.2 三维系泊浮标
在三维NWT中模拟系泊浮标在单色波中的运动，与Fonseca等(2011)的实验结果对比。垂荡、纵摇和纵荡的NMAE分别为5.66%、5.27%和2.78%，验证了模型对系泊浮体运动及系泊线静力学的模拟能力。

### 3.3 船舶在规则波中的运动
以DTMB 5415船模（缩尺比1/46.6）为对象，在规则波中模拟其垂荡和纵摇运动，与Irvine(2008)实验数据对比，NMAE分别为2.69%和3.34%。研究人员还测试了不同波陡（H/λ=1/126、1/63、1/32）下的运动响应，在最高波陡（采用五阶斯托克斯波）下观察到大幅运动，证明了模型在陡波中的鲁棒性。

### 4.1 全尺度KCS船自然频率分析
通过全尺度KRISO集装箱船(KCS)的垂荡和纵摇衰减试验，确定网格分辨率dx=2m即可获得准确的惯性力，自然频率收敛至解析解（fn=0.124 Hz）。

### 4.2 船舶在长峰不规则波中
在全尺度KCS船上，模拟顶浪和随浪条件下长峰不规则波（Pierson-Moskowitz谱，Hs=13.4m，Tp=12.6723s）中的运动。研究人员验证了波浪谱的生成准确性，并分析了运动频谱。顶浪时垂荡幅值显著大于随浪，而纵摇峰值出现在入射波峰频率处。通过纵摇角加速度时程识别出砰击事件，展示了模型在强非线性波浪-船舶相互作用中的适用性。

### 4.3 船舶在真实海况与真实水深地形中
将KCS船置于挪威Sirev?g港口的真实水深地形中，模拟短峰多向不规则波（JONSWAP谱，Hs=4.5m，Tp=15.0s，方向分布系数s=5）。研究人员展示了波浪折射、反射和绕射现象，以及船波相互作用。尽管无直接现场验证数据，该案例成功演示了模型在大尺度（2km×2km）、复杂地形和多向海况下模拟船舶六自由度运动的能力。

## 总结与结论

讨论部分强调了模型在计算效率上的显著优势：与同工况的REEF3D::CFD相比，NHFLOW的计算时间减少了两个数量级（例如二维浮箱案例：0.5 cpu-h vs 12800 cpu-h）。同时，精度与RC相关联。模型采用无黏无旋假设，不解析湍流、流动分离等粘性效应，因此适用于波浪诱导运动的大尺度模拟而非详细粘流分析。结论部分翻译如下：本文介绍了新非静水压波求解器NHFLOW在真实船舶模拟中的扩展。该求解器基于垂直σ坐标网格，具有激波捕捉特性，采用Godunov型格式和HLL黎曼近似配合WENO通量重构。通过延迟压力校正法实现非静水压计算。模型通过直接力沉浸边界法的实现扩展至浮体六自由度运动，并集成于二阶龙格-库塔TVD格式中。该扩展模型能高效精确地求解二维自由浮箱在规则波中的运动，三维系泊浮标在单色波中的运动响应与实验吻合良好，DTMB 5415船模在规则波中的垂荡和纵摇误差低于4%，并研究了不同波陡下的大幅运动。模型进一步在长峰不规则波中模拟了KCS船的运动和砰击事件，最后在短峰多向不规则波中展示了其在复杂真实海况（包括近岸波浪变换效应和反射海岸线）下的六自由度运动建模能力。总体而言，集成了DF-IBM的NHFLOW模型在大尺度真实波浪-结构模拟中展现出巨大潜力，未来可扩展至多体结构模拟以研究浅水受限航道中的船-船相互作用。