（武汉体育学院研究生院，武汉 430079）
摘要：船舶在实际航行过程中，波浪增阻会导致失速现象，进而影响船舶航行的安全性及运动性。本文对国内船舶波浪增阻研究进展进行了综述，分析研究运动帆船波浪增阻的可行性，旨在帮助运动员及教练员从理论角度深化运动帆船在不同航行环境下船体的反应机理，为运动员在训练和比赛中调整船体浮态提供科学指导，同时为我国帆船运动的可持续发展提供帮助和参考依据。
关键词：运动帆船；波浪增阻；数值模拟
1选题背景与意义
对于操控性能很好的竞赛运动帆船，驾驶技巧是帆船运动员在比赛中获得较好成绩的重要保障，这就要求运动员必须对帆船船体的快速性、耐波性以及操纵性有足够的了解。目前我国一定比例的教练员和运动员都是依据自己的经验进行指导与训练，他们并没有接触太多的船舶力学方面的专业知识，对帆船器材的流体动力性能的理解被迫停留在经验层面；比赛中，很多时候运动员调节帆船后，帆船并没有按照自己的意愿行驶，因而没能取得理想的成绩。运动帆船的训练指导没有获得更科学的技术改进，就导致导致运动员技术水平的发展遇到一定的瓶颈，帆船竞赛的成绩不能更好地提高。
为了掌握考虑波浪增阻情况下帆船船体的水动力性能特点，为运动员在比赛中合理利用帆船水动力性能以提高比赛成绩，本论文探讨研究不同规则波中470级帆船船体水动力性能的可行性，以解决我国教练员和运动员对于帆船船体水动力性能了解不够深入的问题，辅助运动员进行科学训练，为运动员在训练和比赛中调整船体浮态提供科学指导，同时为我国帆船运动的可持续发展提供帮助和参考依据。
2船舶波浪增阻国内研究进展
波浪增阻是指船舶在波浪中受到的阻力与静水中受到的阻力之差。波浪中船舶的阻力主要包括：波浪中船舶运动导致的船舶运动增阻；短波情况下波浪反射导致的波浪反射增阻(或绕射增阻)。
赵连恩等(1993)通过理论是试验计算指出，与静水兴波阻力一样，波浪增阻也存在干扰现象。邹劲等(1993)运用船型影响函数法对某母型船进行了波浪增阻的计算与船型改进，指出船型设计时必须考虑波浪增阻。
吴乘胜等(2010)对波浪中高速三体船运动及增阻进行CFD计算研究，分析指出不同行苏夏规则波顶浪中单个主船体运动、波浪增阻等的CFD计算结果与二维半方法的计算结果总体上符合较好。Guo Bing-jie等(2011)对KVLCC2型船在短波规则波中的波浪增阻进行了研究与分析，指出短波长小波幅的波浪下，其增阻值计算较为困难。使用复合方法计算波浪增阻时，在低Froude数下得到的结果略微低于试验值，而在静止或高Froude数情况下与试验值吻合度很好。
叶海轩等(2012)对DTMB5512船模在不同波陡的规则波中迎浪航行情况进行了数值模拟，分析不同波陡对于波浪增阻的影响。指出当波陡较大时，波浪增阻将达到与静水阻力相同的数量级，对船舶快速性造成严重影响。杜丽华(2012)以某远洋渔船的额摇荡运动和增阻及失速为研究对象，求解了船舶在随机波浪中的各种耐波响应值随船舶浮态变化而变化的曲线，指出在求解船舶波浪中的运动时，海浪谱的选择对预报结果有很大的影响。
Wenyang Duan等(2013)提出了一种基于二维速度势的计算方法，其对肥大型船波浪增阻的结果与试验数据吻合度良好。并指出在短波情况下，必须考虑波浪的反射增阻。指出使用一种复合方法对船舶波浪增阻进行计算得到的结果会更加真实。闫岱峻等(2015)采用基于RANSE的数值波浪水池技术，以KCS、KVLCC2、50500DWT油船和19000DWT集装箱船为研究对象，分析了波浪对船舶航行性能的影响，其计算结果与试验结果相吻合，能够为波浪中船舶快速性研究提供可靠的技术支持。
查若思(2015)对船体运动与船体固定对波浪增阻的影响问题、不同长宽比的船型对波浪增阻的影响问题、双体船阻力性能随航速和波浪参数的变化情况等问题进行了计算与分析。通过给定航速、规则波迎浪航行工况下双体船(Delft372)的波浪增阻计算，得到如下结论：波长船长比λ/L=1.75工况下的波浪增阻较大，阻力变化的非线性较大，这与单体船波浪增阻的变化规律类似。同一波浪工况下，双体船片体间距越小，波浪增阻越大。
郭春雨等(2015)采用CFD方法以KCS集装箱船为研究对象，以一阶线性规则波为载荷对不同航速、波长下的船舶阻力和运动进行数值计算，指出船舶短波中增阻值随着航速的增加而增加，其波浪增阻占静水阻力12.5%~20.4%。
牟晟伯(2016)以粘性理论为基础，基于N-S方程和标准k-ε湍流模型，采用VOF方法追踪自由面，利用CFD方法计算了Wigley船在规则波中的水动力性能，其计算结果与试验结果吻合较好，指出能够用此方法对Wigley船的波浪增阻进行预报。
目前国内学者对常见大型船舶在波浪中不同航行阶段的波浪增阻进行了研究，普遍采用的方法是利用计算流体力学（CFD，Computational Fluid Dynamic）软件模拟船舶在数值波浪水池中的波浪增阻，并将数值模拟结果与船模实验对比，对比结果吻合度较高，证明了利用CFD方法对船舶波浪增阻进行研究的可行性与准确性。
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3运动帆船水动力性能国内研究进展
石清(2007)使用MAXSURF软件对激光级帆船船体进行数值模拟，探讨了体重与帆船水动力性能，航速与航向角之间的关系。王亮等(2008)以小型平底帆船为对象，基于线性切片理论计算了一阶规则波浪对船体的干扰力，分析了波浪干扰力对帆船运动的影响，指出帆船在波浪中行驶时， 遭遇角是影响帆船运动状态的关键因素之一，为保持正确航向应适时修正遭遇角。
张志勇等(2015、2016)采用数值模拟方法对激光雷迪尔级帆船船体和470级帆船船体在不同速度下的水动力性能分别进行分析，指出高航速船体底部压力出现不对称现象以及高航速对船体浮态的影响，同时对470级帆船船体以及船体稳向板组合体的水动力性能展开了研究，发现470级帆船稳向板的攻角为30°时阻力最大，并将其与帆船实际比赛的航线结合，为运动员在直航阶段航行时的控船方式提供了建议。
蔺世杰等 (2016)利用CFD软件对以6 速度直航的激光雷迪尔级帆船船体在不同纵倾角下的水动力性能进行了研究，指出船体运动中压差阻力在影响船体速度中起了决定性作用，且压差阻力与纵倾角度为非线性关系，探讨了摩擦阻力以及船体兴波与船体纵倾角度的关系。并对470级帆船船舵组合体的粘性流场进行了模拟，建议比赛中进行较大角度转向时将舵角控制在30°~35°间，船体失速最少，进而提高帆船速度。
可以发现，国内学者采用CFD方法对运动帆船的附体以及静水直航时的摩擦阻力、粘压阻力、兴波阻力、船体表面压力等进行了研究并取得了一定的成果， 证明采用CFD方法对运动帆船的水动力性能进行研究是可行的，同时为利用此方法对运动帆船在波浪中航行时波浪增阻的研究提供了理论与技术指导。
4结论与总结
相对于静水阻力，船舶在实际航行过程中，船体在波浪中所受到的阻力增加会导致失速现象，对其快速性、耐波性以及操纵性产生了消极的影响：一方面导致船舶安全性的降低，；另一方面降低了船舶的运动性能，影响运动员的比赛成绩。因此波浪增阻的预报与分析具有十分重要的意义。通过对近年来国内外关于船舶及帆船耐波性文献的总结发现，使用商业软件FLUENT，结合数值波浪水池技术，分析运动帆船在规则波浪中航行时的主要水动力参数是可行的。了解帆船在波浪环境下航行时的耐波性能，将能够有效指导运动员操纵帆船运动，能够展示帆船船体在不同波浪情况下的运动状态，帮助运动员和教练员更加全面地了解帆船船体在不同航行环境下的航态，提高帆船航行的快速性与安全性，训练与指导的有效性与科学性，从而为运动员获得更好的竞技成绩提供支持。
参考文献
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论文作者:张松
论文发表刊物:《知识-力量》2018年5月上
论文发表时间:2018/6/6
标签：波浪论文; 帆船论文; 船体论文; 船舶论文; 阻力论文; 性能论文; 运动员论文; 《知识-力量》2018年5月上论文;