船舶月池流体动力学性能与波浪演化机制研究：弗劳德数对阻力与流态的影响剖析

　　本文采用计算流体动力学（CFD）方法系统研究了细长型月池在航行状态下的水动力性能与内部波浪动力学行为。通过基于KCS船模加装月池的数值模拟，结合PIMPLE算法与SST k–ω湍流模型，重点分析了弗劳德数（Fn）对阻力特性、涡结构演化与液面振荡的显著影响。研究发现月池导致船舶阻力增加超50%，其内部流动结构与传统井式月池差异显著，流场呈现类水跃（Hydraulic Jump）现象，并在Fn = 0.18附近发生流态转变。研究为高性能月池设计提供了关键理论与数据支撑。

　　

Highlights

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  月池安装使船舶阻力增加50%以上，且随弗劳德数（F_n）增大而加剧

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  月池前部流场呈类水跃结构，并在F_n = 0.18附近发生显著流态转变

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  月池内部涡结构因高长深比和长宽比显著区别于常规井式月池

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  液面振荡周期偏离经典经验公式，活塞模态周期介于0.417–0.500秒

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  在F_n = 0.22时阻力波动幅度达平均阻力的14%，最大波高相当于船吃水的28.7%

Section snippets

Navier-Stokes equations

求解不可压缩粘性流体的非定常流动时，控制方程为不可压缩两相Navier-Stokes（N-S）方程：

?·U = 0

?(ρU)/?t + ?·[ρ(U ? U_g)U] = ??p_d ? g·x?ρ + ?·(μ_eff?U) + (?U)·?μ_eff + f_σ + f_s

其中U为速度场，U_g为网格运动速度，p_d = p ? ρg·x 为流体动压，ρ为流体密度，g为重力加速度向量，μ_eff为有效动力粘度，f_σ为表面张力项，f_s为动量源项。

Geometric model

本研究对象为KCS船模，该模型是具有球鼻艏的现代集装箱船，是国际公开发表的基础研究模型之一，具备完整实验数据（Van S., 1998）。几何缩尺比为1:31.6，主要尺寸见表1。加装月池后的实验模型如图1所示。月池在垂直方向呈矩形，长度 = 0.16L（L为船长）。

Resistance characteristics

加装月池前后的阻力系数结果如图5所示。可见加装月池后阻力显著增加超过50%。且在F_n ≥ 0.2范围内，该差异的增长趋势更为明显。可得出结论：月池对船舶航行具有实质性影响，且在F_n ≥ 0.2时影响加剧。考虑到月池对船体流场的显著干扰……

Conclusion

本研究基于KCS裸船体模型，在其中部安装细长月池，研究不同弗劳德数均匀来流下总阻力变化及月池内部流动特性。数值模拟揭示以下关键发现：

1. 1.

   月池安装使船舶阻力增加50%以上，且该比例随弗劳德数增大而增长。在F_n ≤ 0.18时仅出现长周期小幅阻力波动；在F_n > 0.18后出现显著周期性振荡

2. 2.

   月池内部流动结构因高长深比和长宽比显著区别于常规井式月池……