近海作业船舶长期处于2~3级不规则风浪环境，作业时船体受海浪激励产生六自由度大幅漂浮运动。传统动网格方法在模拟船体摇摆、升降工况时，极易出现网格畸变、负体积等现象，计算稳定性差，难以完成长时间波浪演化仿真。

INTESIM-CFD1采用重叠网格技术解决该类仿真痛点：将计算域分离为背景网格与前景网格，背景网格全域覆盖波浪水池实现海浪演化，包裹船体的前景网格随船六自由度同步运动；两套网格通过插值完成流场信息交互，适配船舶大幅度漂浮、摇荡运动仿真，从根源规避动网格失效问题。

01 仿真案例

本案例基于INTESIM-CFD1压力基流体分析软件开展瞬态数值模拟，结合重叠网格、VOF两相流数值波浪水池与6DOF六自由度运动功能，精准复现3级海浪工况船体自由漂浮、大幅摇荡的全过程姿态。

关键物理场：压力基流体仿真分析软件（INTESIM-CFD1）

核心功能：重叠网格、VOF两相流数值波浪水池、6DOF六自由度运动

分析类型：瞬态两相流分析

02 仿真模型建立

几何模型：

本案例选取简化作业船型作为漂浮物开展数值验证，完整船体几何外形如图 1所示。简化船体保留真实船舶艏部破浪、平直船身核心外形特征，在降低网格计算量的同时，可完整复现海浪激励下船体纵摇、横摇、垂荡等全维度漂浮运动规律。

图1 船体几何模型

计算域：

为适配重叠网格算法与不规则波浪演化需求，计算域由两部分构成：

①前景子域：嵌套包裹船体，跟随船体完成全六自由度同步运动；

②背景子域：全域波浪水池，负责生成、传递不规则风浪，并设置消波区抑制边界波浪反射。

背景水池尺寸参数：

①展向宽度：10m，全域总高度：20m，静水面高度：9.25m；

②纵向布局：船体中心距离造波入口30m，距离末端消波出口50m，充足长度可保证波浪充分演化、消除边界反射干扰。

图2 计算域示意图

网格划分：

采用INTESIM-CFD1软件对背景区域和前景区域划分六面体网格，分别如图 3、图 4所示。对自c面、船体近场流场进行网格加密，保障波浪与船体受力计算精度。背景区域网格数量为240万，前景区域网格数量为67万。

图3 背景区域网格

图4 前景区域网格

03 仿真设置

材料参数：

本案例采用VOF两相流模型模拟气液自由面波浪演化，流体计算域包含空气、水两相介质，采用常温标准物性参数，具体数值如表1所示。

表1 材料属性

基本设置：

本案例为三维两相流瞬态仿真；为精准求解船体漂浮浮态、位移与姿态变化，需启用重力加速度，参数配置如图 5所示。

重力参数：标准重力值9.814m/s²，沿Y轴负方向（坐标轴分量0，-1，0）。

图5 基本设置

模型仿真参数：

本案例采用瞬态分析开展波浪-船体耦合求解，时间控制、迭代收敛相关参数分别如图 6、图 7所示。

时间控制：总仿真时长10s，固定时间步长0.01s，初始、大、小步长保持一致，自动时间步控制系数取1；

求解设定：收敛相对容差1e-5，单时间步内大、目标迭代次数均为5次。

图6 模型仿真参数-时间控制

图7 模型仿真参数-求解设定

边界条件：

本案例背景区域inlet（入口）边界类型为入口造波，波浪类型为1阶Stokes波；outlet（出口）边界类型为波浪出口；船体设置为无滑移壁面，自动跟随前景网格运动。边界条件示意图如图 8所示，边界参数详见表2。

图8 边界条件示意图

表2 边界条件设置

重叠网格设置：

本案例背景网格全域覆盖波浪水池，为全场提供基础波浪流场环境；前景网格作为组件子域，内嵌于背景网格内部、完整包裹船体运动结构。两套网格通过双向插值完成流场数据交互：前景网格边界的流场参数由背景网格插值传递；前景区域覆盖范围内的背景网格单元做屏蔽处理，物理量由前景网格反向插值填充。背景区域与前景区域设置如图9所示。

图9 重叠网格设置

6DOF设置：

6DOF六自由度运动算法用于模拟流体载荷下刚体自由运动，通过耦合求解流体动力学方程与刚体动力学方程，完整计算船体运动轨迹与漂浮姿态。案例设置船体为6DOF运动模式，输入船体质量、重心、三轴转动惯量，并配置初始运动、运动约束参数，完整设置界面如图10所示。主要参数：

图10 6DOF设置

多相流设置：

INTESIM-CFD1软件支持基于VOF的数值波浪水池设置，勾选数值波浪水池，支持设置初始水c、造波方式、体积分数求解方式。多相流数值波浪水池设置如图 11所示，主要参数：

04 仿真结果

体积分数云图：

选取3s、6s、10s 三个时刻输出水相体积分数云图，结果如图 12所示。随计算时长推进，入口生成的1 阶 Stokes 规则波浪沿水池纵向平稳传递，自由液面轮廓光滑规整；至 10s 仿真末期，全域形成稳定周期性波浪形态，无液面数值耗散、畸变现象，可清晰观测船体自由漂浮姿态。

（a）3s时刻水体积分数云图

（b）6s时刻水体积分数云图

（c）10s时刻水体积分数云图

①六向流体受力特征（图13）

仿真初始阶段流场未充分演化，存在明显瞬态冲击载荷；运行至2s后，入口1阶Stokes波浪充分作用于船体，各向力、力矩进入稳定周期震荡区间。

受力主次区分清晰：横向力Fy幅值远大于纵荡、垂荡力，是船体核心波浪载荷；纵摇力矩My主导船体俯仰运动，横摇、艏摇力矩数值极小，对船体姿态影响微弱。

图13 c船体六向力

②六自由度位移响应特征（图14）

平动自由度运动幅度远高于旋转自由度：纵向、横向平动位移幅值大；横向平动与波浪周期同步，呈现规律往复摆动；垂荡、纵摇、横摇、艏摇位移幅值均处于较低水平，船体无剧烈失稳姿态。

该结果验证重叠网格+ 6DOF算法可精准复现近海作业船真实耐波运动响应。

图14 船体六向位移

本案例基于INTESIM-CFD1软件，采用重叠网格与VOF两相流、6DOF（六自由度）运动，求解得到了流场体积分数云图、船体六向力与船体六向位移变化曲线。

计算中后期流场与运动周期稳定，重叠网格插值连续无畸变，横向波浪载荷主导船体纵荡、横荡运动，垂向与转动运动微弱。

该案例依托INTESIM-CFD1软件重叠网格优势，可精准复现波浪与船体耦合作用，既能替代部分水池模型试验节约研发成本，又能从流场机理层面揭示船体载荷与摇荡规律，整套仿真流程可复用于渔船、工程作业船等近海浮体耐波性分析，具备显著的工程实用价值。