船间水动力相互作用建模与仿真预报.pdf

第45卷第19期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCE ANDTECHNOLOGYVol.45,No.19Oct.,2023船间水动力相互作用建模与仿真预报程相茹1，周汉翔，郑春浩”，张超4（1.渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛12 510 1；2.哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨150 0 0 1；3.中国人民解放军92 595部队，辽宁葫芦岛12 510 1；4.华中科技大学，湖北武汉430 0 7 4）摘要：为模拟考虑自由表面影响的船舶联合运动条件下的粘性流体流动，通过控制体积法求解非定常RANS方程以及六自由度（6 DOF）运动方程，同时采用VOF模型、SSTk-端流模型以及滑移网格建立了一种预测船间水动力相互作用行为的方法，利用该方法开展孤立Wigley船体、孤立KCS船体、相互作用Wigley船体以及相互作用KCS船体的水动力特性研究，讨论了不同速度比对船间水动力的影响规律。结果表明：本文建立的船间水动力相互作用模型与文献结果符合较好，说明本文方法可有效解决船间水动力预测问题；对于静止目标船，追越过程中目标船受到的横向力主要受船间纵向距离对其产生的影响；对于航行船舶，追越过程中相对航行速度将会对目标船受到的横向力产生影响。关键词：船间水动力；CFD；预测模型；追越；速度比中图分类号：U662.2文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)19-0 0 7 0-0 7Simulation modeling and prediction of hydrodynamic interaction between ships(1.Bohai Marine Vocational College,Huludao 125101,China;2.Harbin Engineering University,HarbinAbstract:In order to simulate the viscous fluid flow under the condition of joint motion of ships considering the influ-ence of free surfaces,the unsteady RANS equation and the six degrees of freedom(6DOF)equation of motion are solved bythe controlled volume method,and the VOF model,SST k-co turbulence model and slip Grid established a method for pre-dicting the behavior of hydrodynamic interactions between ships.Using this method,the hydrodynamic characteristics ofisolated Wigley hulls,isolated KCS hulls,interacting Wigley hulls,and interacting KCS hulls were studied,and differentspeed ratios were discussed.The law of influence on the hydrodynamics between ships,the results show that the hydro-dynamic interaction model between ships established in this paper is in good agreement with the results of the literature,in-dicating that the method in this paper can effectively solve the problem of hydrodynamic prediction between ships;for sta-tionary target ships,the overtaking process The lateral force on the target ship is mainly affected by the longitudinal distancebetween the ships;for a sailing ship,the relative sailing speed during overtaking will have a great influence on the lateralforce on the target ship.Key words:intership hydrodynamics;CFD;predictive model;overtaking;speed ratio0引言随着世界海上贸易的加强，港口和黄金水道变得越来越繁忙，交通管制问题也变得更加尖锐和紧迫。收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 5基金项目：国家重点研发计划战略性国际科技创新合作重点专项（2 0 16 YFE0202700）；国家自然自觉面上基金资助项目(51975459)作者简介：程相茹（198 7-），女，副教授，研究方向为船舶与海洋工程流体性能。文献标识码：ACHENG Xiang-ru,ZHOU Han-xiang,ZHENG Chun-hao,ZHANG Chao4150001,China;3.No.92595 Unit of the PLA,Huludao 125101,China;4.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.19.013为了降低运营成本和优化船舶在特殊条件下的运营，确定相遇或追越船舶受到的水动力问题已经成为一项重点研究。因为只有基于充分、高质量的预测及优化才能减少对港口、航道的船舶数量限制，并同时考虑第45卷水运交通安全。针对船间水动力研究的文献主要分为3类。第一类是试验研究，即收集船间水动力的相关试验数据并与数值实验的结果进行对比分析，主要包括VantorrlI、Lataire2、A r s l a n 3、Sa n o 4 等开展的一系列关于间距、航速、船体参数以及航道的船间水动力实船试验研究，总结得出了横向力、纵向力、首摇力矩在相遇、追越、浅水、狭窄等情况下的规律。目前仍是航运规范的支撑基础5，而且基于试验数据的半经验预测模型研究也是目前航行规划的主要基础。如徐言民5、Vantorrel0、Va r y a n i 17 等提出了关于速度、船体参数和间距等因素的水动力预测公式，并与实船试验结果具有较好的吻合度。第二类是理论研究，即基于流体是无粘性、不可压缩、无旋、傅汝德数小，自由表面为壁面等假设，通过细长体法、面元法、粘性流法对船间水动力进行数值求解，主要包括Varyani、W a n g、张乐文10 等通过渐近展开方法，建立时间积分模型，研究了两船会遇和追越时的水动力相互作用规律。第三类是数值仿真预测，即基于现有强大的计算能力，考虑流体的粘性、湍流、波浪影响，采用离散化模型求解RANS方程，主要包括Chen!l、Zo u l 2 、Pi n k s t e r l 3等基于RANS方程的数值求解研究，得出了水深、船速、船-船横向间距等因素对船-船水动力相互作用的影响规律。尽管以上研究已为船间水动力研究提供了很多支撑性的定性规律，但仍存在以下问题：1）试验研究由于涉及设计参数和环境因素众多，存在耗时长、经费高等问题，目前缺乏广泛的试验研究基础和系统的船间水动力数据。同时，由于相互作用条件和影响参数存在大量可能组合，经验和半经验公式只能针对某些特殊情况。2）理论研究仍存在单一任务的局限性，只能单独针对追越、相遇或系泊船等某一情况，而且大多数计算方法仅适用于尺寸相对相似的船舶，考虑船体几何形状和波浪影响的研究目前较少。而数值方法可以有效弥补以上不足，不仅可以建立统一的船间水动力数学模型，而且可以快速、高效、经济地进行系列重复试验。因此，本文为模拟考虑自由表面影响的多个物体联合运动条件下粘性流体流动，通过控制体积法求解非定常RANS方程以及六自由度（6 DOF）运动方程。同时采用VOF模型、SSTk-)流模型以及滑移网格建立了一种预测船间水动力相互作用行为的方法，并利用该方法开展了孤立Wigley程相茹，等：船间水动力相互作用建模与仿真预报1 oPotpoxi(Wiu)+gi,axjoui=0。xi式中：ui为速度矢量的第i个分量，ij=(x,y,z)；P为流体动压；V为流体的运动粘度；xi为笛卡尔的第i个轴坐标系；Tij=uiuj为雷诺应力或湍流应力，Tij为6个不同雷诺应力项，包括3个切应力和3个正应力项；gi为重力加速度的第i个分量。利用Boussinesq模型求解雷诺应力张量：(UiUi)2W;uj=-Vt(+=vtoijk。0 xi3式中：Vt为端流运动黏性系数，V=k/w；k 为端流动能，w耗散率。根据SSTk-w模型，k和w满足下式：(pk)d(pkviotoXj(pw)(pwv)otxj式中：为Gk、G u 为流动能的产生比和耗散率；k、Tu分别为k和w的有效扩散能；Yk、Ya 分别为k-w和w有效耗散能；Sk、Su 均为源项。本文使用VOF模型模拟自由液面的变化，模拟水和空气混合的流体，在每一控制体积内，两相体积分数的和为1，第i相方程为：0i+7.Vi=0,ot随质点 x,y,z)的运动而保持不变，守恒形式的传输方程式为：71船体、孤立KCS船体、相互作用Wigley船体以及相互作用KCS船体的水动力特性研究，讨论了不同速度比对船间水动力的影响规律，为研究船舶海上遭遇的可控性问题提供数值预测方法和理论指导。1理论基础1.1基本控制方案黏性不可压缩流体的纳维-斯托克斯（N-S）控制方程为：Qui+(U;U)(8Ui8U0 xikIk+Gk-Yk+Sk,oxjkxj)+Gw-Yw+Sw.axjxj(1)(2)(3)(4)(5)(a)波形72每一控制体积内体积分数函数：中=a(x,t)dV,V上式转化为：+uxy为了模拟多个物体联合运动条件下粘性流体的流动，有必要使用多个网格区域域并使用附加算法在区域边界之间进行数据交换。本文采用滑移网格算法进行边界之间物理量的交换，计算单元的物理量u(x)由n个相邻单元的解V=(v1,Vn)插值得出：u(x)=式中：(r)=r-，r 为相邻单元之间的距离；v为相邻单元的物理量解。1.2离散方法采用控制体积法对粘性流体动力学方程式（1）进行数值求解，如下式：(oy+r-(p)A+pr9ra,.A,=Nff=1式中：f为当前单元；N,为相邻单元数；为通过单元f的流量；A为单元f的面积；（),为流量的法向投影，V为单元体积。同时，对于动量传递方程的数值解，必须给出或找到水动力压力场，计算节点P周围的一些控制体积上积分连续性方程，如下式：(pp-p%)AxAyz+(ou)e-(pu)w Axz+(ov)n-(pv),AzAx+(ow),-(pw)b AxAy=0。2船间水动力计算方法验证为了评估船间水动力相互作用数学建模的准确性和所选方法的适用性，选取Wigley船体和KCS船体进行初步的数值试验并与实验研究2 的数据进行比较分析。舰船科学技术2.1Wigley船体运动模拟+u+Vx+W十Vf1第45卷=0,(6)(7)+W0。Nf为验证前述船间水动力相互作用数学模型的正确性，现分别针对孤立Wigley船体和相互作用Wigley船体在无限流域运行进行模拟仿真，并与NobuakiSakamotol14提供的数据进行对比，2 3种工况均选取傅汝德数F,=0.51。其中，相互作用工况下，考虑Wigley船体间横向距离n=B，纵向距离=2 Lpp、=Lp p(8)=Lpp/2。Wigley船体主参数：Lpp=1.905m，B=0.2 38 m,T-0.095 m。在数值模拟过程中获得的孤立威格利体波形和船体表面的波浪轮廓如图1所示。进一步将文献14 中试验、仿真计算结果与Wigley模型数值解进行对比，如表1所示。(9)F-0.51,Fine with overset gird830.020.0wu/x10.00.0(10)-10.0-20.00.0图1孤立Wigley船体在Fr=0.51的波型和船体表面波浪轮廓与文献14 计算结果对比Fig.1 Comparison of the wave pattern and hull surface wave pro-file of the isolated Wigley and the reference 14表1F,=0.51的阻力系数C,对比Tab.1 Comparison of drag coefficient C,with F,=0.51试验(11)1000*Cx误差阻力系数与实验数据对比表明，使用最高分辨率的计算网格时误差保持在1.4%以内，从而可判断使用前述数学模型可以解决船舶阻力计算问题。孤立Wigley船体和相互作用Wigley船体模型数值解如图2（a）所示，相互作用Wigley船体模型数值解模型数值解-STAR-CCM+计算0.20.40.60.8沿船长不同位置-x/L(b)船体表面波浪轮廓STAR-CCM+0.0760.0751.33%1.0模型数值解0.07620.26%第45卷与STAR-CCM+获得的横向力系数10 0 0 CFy、首摇力矩系数10 0 0 CMz对比如图2（b）所示。(a)波形0.20.10.10.00.10.10.20.5图2 相互作用Wigley船体在F,=0.51的波型和与文献14 作用力计算结果对比Fig.2 The wave pattern of the interacting Wigley hull at F,=0.51and the comparison with the reference 14从孤立Wigley船体和相互作用Wigley船体模型数值解的波形都可以观察到尾波和船首波以及波浪幅值的增加；目标船船尾波浪系统与追越船头波浪系统相互作用，结果在追越船船头附近形成了一个高度较高的波浪，并且波浪之间的相互干扰在船间区域传播。因此模型数值解所获得的模拟结果可在一定程度下判断前述船间水动力相互作用模型的正确性。对相互作用过程中的横向力系数10 0 0 CF,和首摇力矩系数10 0 0 CMz比较分析表明，在船间距离为L/2时结果之间差异最大，但根据著名的实验研究6.15，目标船处于追越过程，当在船间距离为L时兴波阻力大小和相互作用力矩大小处于最危险时刻。2.2KCS船体运动模拟为进一步验证前述水动力数学模型的正确性以及船型对数值模拟的影响，采用缩尺比为1:31.6 的KCS船体数学模型进行运动模拟，并将Wigley船体修改成对应参数开展阻力计算结果的对比。同时，将KCS船体计算结果与哥德堡会议16 的总阻力系数和波形的实验结果进行比较。程相茹，等：船间水动力相互作用建模与仿真预报B-1.019 m,T=0.341 77 m为判断各阻力分量对阻力的影响，尤其是船体形状的影响，将数值模拟的总阻力结果分解为形状阻力（Rv y p）、兴波阻力（Rw）以及粘性阻力（Rv）。K CS船体和具有相同基本参数的Wigley船体上的总阻力及其分量结果对比如图3所示。-KCS-CR4.0KCS-CRvP-KCS-CRv-Wigley-CR3.0-Wigley-CRvpWigley-Crv2.01.0C-模型数值解CM-模型数值解Ch-STAR-CCM+CM-STAR-CCM+1.01.5船间纵向距离(b)作用力73缩尺比为1:31.6 的KCS船体参数：Lmax=7.357m，0.00.10图3Wigley船体和KCS船体总阻力及其分量Fig.3Total resistance and components of Wigley hull可以发现，当达到F,=0.25值时，2 种情况下粘度2.0成分的影响都会增加，而对于较小的傅汝德数，与船体形状阻力分量优势更明显；而且考虑到波浪形成在F,(0,0,0.)图5追越过程坐标系示意图Fig.5 Schematic diagram of the coordinate systemof theovertaking processKCS船体模型主要参数：Lmax=7.357m，B-1.0 19m,T-0.341 77 m。模型基本设置：动态粘度=1.02710-3Ns/m，介质密度p=998.4kg/m，无限流域。计算工况设置如表3所示。表3计算工况Tab.3Calculation conditions工况1船速Vo/msl1.092Fro0.128舰船科学技术图6 KCS船体首部和尾部网格细化Fig.6KCS hull bow and stern mesh refinement润湿表面的面积对船间水动力的影响，选取无量纲系数作为船间水动力的对比参数。其中，纵向距离系数、纵向力系数Crx、横向力系数CFy、首摇力矩系数CM定义如下：(12)Li+L22FxCFpV2So2FyCFyp(A*)/3(V-ViV2+V2)2MzCMz=p(A*)1/2(V2-V1V2+V)式中：A*=VViV2；V为排水体积；Fx、F分别为x、y方向船舶所受的水动力；M，为首摇力矩；V为速度；L为垂线间长；S为船舶湿表面积。首先，工况1计算得出的目标船上横向力系数Cry、首摇力矩系数CMz数值解与文献18 中切片势流理论模型结果对比如图7 所示。其中，文献18 中与工况1具有相似的仿真试验条件，而且与Newton19试验数据具有相似的规律。8文献-18-T-Cry工况26文献-18-T-CM1.数值解-T-Cy数值解-T-CM1.09240.128第45卷2(51-52)(13)(14)(15)2船速V/ms-lFrT针对工况1分别采用数量为8.6 510 和14.510 网格进行网格无关性验证，所得结果的差异不超过1%。因此认为8.6 510 网格分辨率足够用于水动力相互作用的定性和定量分析，其中局部网格细化如图6 所示。3.2结果分析为综合反映船舶速度、长度、宽度或静止时船的000.7280.0864-2.0图7 工况1试验与数值解的Cry、CM 对比Fig.7Comparison of Cry and CMz between experimental and nu-merical solutions under Case-1 condition通过分析图7 可得出以下结论：1）本文数值解与理论模型结果具有相似规律，但/-1.00.0纵向距离系数1.02.0第45卷目标船的横向力系数Cy、首摇力矩系数CMz的峰值存在一定差距；2）目标船的横向力系数CFy和首摇力矩系数CM的峰值分布规律具有一致性，分别位于=-0.8、0、+0.8的位置，即追越船（O）船首位于目标船（T）船尾区域、两船并行、追越船（O）船尾位于目标船(T)船首区域;3）目标船的横向力系数Cr，的最大振幅的特征比一致，即追越过程中目标船受到的横向吸力将比排斥力的2 倍、2 个方向的首摇力矩幅值相等。工况1计算得出的目标船和追越船上纵向力系数CFx、横向力系数CFy、首摇力矩系数CMz随纵向距离系数的变化如图8 所示。可得出以下结论：1）追越船（O）的纵向力系数CFx和首摇力矩系数CMz几乎不受静止的目标船（T）影响，但对静止的目标船（T）影响显著；0.25T-CA-F=0.128-O-CA-F=00.200.150.100.050.00-0.05-2.0151050-5-10-15-2.04T-CM-F-0.128-O-CM-F,-0022-4-2.0图8 工况1数值解的CFx、Cr y、CM zFig.8Crx,Cry,CMe of numerical solution underCase-1 condition程相茹，等：船间水动力相互作用建模与仿真预报-1.0纵向距离系数15T-Cr-F,=0.128-0-Cs-F,=0.0861050-5-10-15-20-2.0-1.00.0纵向距离系数T-Cr-F,=0.128-0-C-F-0-1.00.0纵向距离系数-1.00.0纵向距离系数752）追越船（O）的横向力系数CFy分为3个主要阶段：远离目标船、朝向目标船和远离目标船，该过程与实验研究和实地观察的结果一致。工况2 计算得出的目标船（T）和追越船（O）上纵向力系数CFx、横向力系数CFy、首摇力矩系数CMz随纵向距离系数的变化如图9所示。0.25T-Ck-F,=0.1280.20-.-0-Ck-F,=0.0860.150.100.050.00-0.05-0.10-0.15-2.01.02.01.02.01.02.00.0-1.00.0纵向距离系数6T-CM-F,=0.1284-0-CM-F,=0.086224-2.0图9工况2 数值解的CFx、Cr y、CM zFig.9Cex,Cry,CM of numerical solution under Case-2 case分析可得出以下结论：1）追越船（0）的阻力在=-0.8 处开始增加、=-0.3处开始减低、=+0.3处逐步增大；2）追越船（O）在=-0.6 处朝向目标船（T）并在=-0.4-0.4远离目标船（T);3）追越船（0）船头在=-0.1处远离目标船（T）并-0.2 处朝向目标船（T）顺序旋转。以上数据规律与文献1 的实验数据变化规律及其幅值具有相似特征：1）追越船（O）的阻力增加和减少值相等；1.01.0-1.00.0纵向距离系数2.02.01.02.0762）追越船（O）远离目标船（T）时，横向力最大值时靠近时的2 倍；3）追越船（O）船头远离目标船（T）首摇力矩大约是朝向目标船（T）的1.5倍，而实验值差异为2倍，该差异可能主要来自于船间横向距离不一致。最后，对比工况1和工况2 两种不同目标船船速对水动力系数的影响：1）2 种情况下目标船（T）阻力大小相同，但静止目标船（T）没有反方向的阻力峰值；2）2 种情况下对目标船（T）的横向力和首摇力矩影响相似，但是峰值不同，航速对目标船（T）的首摇力矩影响更显著。综上所述，对于一艘静止船舶，追越过程中目标船受到的横向力主要受船间纵向距离对其产生的影响；对于一艘航行船舶而言，追越过程中相对航行速度将会对目标船受到的横向力产生很大影响。4结语本文针对船间水动力相互作用问题，建立了一种预测船间水动力相互作用行为的方法，主要得到如下结论：1）采用本文所构建的船间水动力相互作用预测方法，可以实现对追越船舶的水动力预测，结果与文献符合较好，说明本方法能为研究船舶海上遭遇的可控性问题提供数值预测方法和理论指导。2）不同速度比下，追越船的阻力增加和减少值相等；追越船（O）远离目标船（T）时，横向力最大值时靠近时的2 倍。3）不同速度比下，目标船的横向力和首摇力矩影响相似，但峰值不同，航速对目标船（T）的首摇力矩影响更显著。参考文献：1 VANTORRE M,LAFORCE E,VERZHBITSKAYA E,Mod-el tests based formulations of ship-ship interaction forces forsimulation purposesC/IMSF 28th Annual 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