中高速船艏波破碎与强非线性波浪下船舶运动响应数值研究
摘要
中高速水面舰船在静水中航行时，经常会在艏部出现明显的兴波破碎现象，称为艏
波破碎。艏波破碎会形成湍流，引起能量耗散，从而产生破波阻力。艏波破碎还会造成
空气卷吸，导致船体后方出现白色尾迹。艏波破碎的演化过程、破碎机理较为复杂。因
此，研究艏波破碎特性对于提升船舶的隐身性能、提供精细化的流场信息意义重大。
水面舰船在遭遇强非线性波浪时，由于波浪大幅非线性的特点，船体出现大幅摇荡
运动以及甲板上浪，容易使船体设备遭到破坏。因此，研究强非线性波浪下的船舶运动
响应特性，对于改善船舶的耐波性能具有重要价值。综合以上两点研究意义，本文开展
了中高速艏波破碎与强非线性波浪下船舶运动响应数值研究。
首先，基于延迟分离涡模拟（DDES）对DTMB5415船的艏波破碎特性进行数值研
究。将数值结果与试验进行对比，给出艏波破碎数值策略。重点分析了中高航速下艏波
的波形时间演化规律。研究表明，第一次翻卷的艏波波形为定常现象。艏波第二次翻卷
时，射流随时间发生周期性的翻卷破碎。第三次翻卷的艏波波形为非定常现象。
其次，系统分析了艏波破碎区域的涡量场空间分布特性。研究表明，轴向负涡区位
于气腔周围与波趾；轴向正涡区位于船体侧壁与凹陷处。横向涡量的负涡区位于船体侧
壁、水头下方自由液面、气腔与波趾处；横向正涡的涡量堆积不明显。垂向涡量的负涡
区位于船体侧壁；垂向正涡区位于艏波第一次翻卷的水头末端及其下方自由液面。
之后，基于RANS方法与欧拉叠加方法（EOM），总结出针对不同非线性规则波的
数值模拟策略。有效处理了非线性规则波模拟中的参数选取问题。研究表明，随着非线
性程度增加，需减小自由面处的网格长宽比，库朗数适合取0.3以下。
最后，基于RANS方法对强非线性规则波下的船舶运动响应特性进行数值研究。分
析了波陡对船体运动与波浪增阻的影响。研究表明，当波长船长比为1.5，波陡增至0.040，
升沉运动的1阶响应幅值显著提升。在大波陡下随着波长增大，会造成大面积甲板淹湿。
当波陡超过0.040，阻力系数时历会出现明显的峰值，是由艏部与波浪的冲击所致。
关键词：DTMB5415船；艏波破碎；强非线性规则波；运动响应；波浪增阻
中高速船艏波破碎与强非线性波浪下船舶运动响应数值研究
Abstract
Whenthesurfacevesselissailingincalmwateratmediumorhighspeed,obviouswave
breakingphenomenonoftenoccursatthebow,whichiscalledbreakingbowwaves.The
breakingbowwaveswillformturbulence,causeenergydissipation,andgeneratewave
breakingresistance.Thebreakingbowwaveswillalsoformairentrainment,resultinginwhite
wakebehindthehull.Theevolutionprocessandbreakingmechanismofbreakingbowwaves
arerelativelycomplex.Therefore,thestudyofbreakingbowwavescharacteristicsisofgreat
significanceforimprovingtheshipsstealthperformanceandprovidingrefinedflowfield
information.
Whenthesurfacevesselencountersstrongnonlinearwaves,duetothecharacteristicsof
extremewaveswith