基于船舶空氣流場(chǎng)仿真的船舶測(cè)風(fēng)偏差校正方法

胡 桐，漆隨平，郭顏萍，王東明

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266001）

基于船舶空氣流場(chǎng)仿真的船舶測(cè)風(fēng)偏差校正方法

胡 桐，漆隨平，郭顏萍，王東明

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266001）

船舶海面風(fēng)觀測(cè)易受船體和上層建筑造成的畸變氣流影響，使測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)存在偏差。針對(duì)船舶相對(duì)風(fēng)測(cè)量偏差校正問題，采用CFD仿真方法研究船體周圍鈍體繞流氣流場(chǎng)，量化桅桿左、右橫桁實(shí)測(cè)相對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向與艦橋上部參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)相對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向偏差，利用最小二乘支持向量機(jī)分別對(duì)左、右舷測(cè)風(fēng)偏差進(jìn)行回歸并建立校正模型。通過海上實(shí)船實(shí)驗(yàn)采集桅桿左、右橫桁與艦橋上部測(cè)風(fēng)點(diǎn)處的相對(duì)風(fēng)測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模型校正測(cè)風(fēng)偏差的實(shí)際效果，結(jié)果表明CFD仿真建模方法能夠有效降低實(shí)驗(yàn)船型56%的相對(duì)風(fēng)速測(cè)量偏差。

艦船空氣流場(chǎng)；CFD；風(fēng)測(cè)量；偏差校正

海氣動(dòng)量、熱量、水汽交換過程中，海面風(fēng)幾乎起主導(dǎo)作用?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)海面風(fēng)速、風(fēng)向資料大部分由船舶、浮標(biāo)、岸站等常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)獲取。船舶作為海面氣象要素的重要觀測(cè)手段，提供了長(zhǎng)期并且持續(xù)的海面風(fēng)觀測(cè)記錄。船載測(cè)風(fēng)傳感器測(cè)量的是相對(duì)風(fēng)，真風(fēng)通過相對(duì)風(fēng)、航速和航向進(jìn)行解算。但移動(dòng)平臺(tái)測(cè)風(fēng)的固有特點(diǎn)會(huì)造成相對(duì)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)中存在偏差，原因包括：

（1）船體、上層建筑對(duì)氣流的遮擋。經(jīng)過測(cè)風(fēng)點(diǎn)的氣流實(shí)際上已經(jīng)受到船體和上層建筑遮擋而產(chǎn)生了畸變[1]，速度和方向與自由來流存在差別。風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量值與海面自由來流真實(shí)值之間的偏差直接影響海面摩擦速度u*和阻力系數(shù)CD10N的計(jì)算。當(dāng)u10N為10 m/s時(shí)，10%的風(fēng)速偏差將造成約27%的動(dòng)量通量估計(jì)偏差[2]。

（2）船體搖擺的影響。船舶航行過程中受風(fēng)、浪、流的綜合作用產(chǎn)生縱搖、橫搖和升沉，船體對(duì)周圍氣流場(chǎng)存在作用力，干擾相對(duì)風(fēng)測(cè)量[3-4]，并且對(duì)采用渦動(dòng)相關(guān)法（Eddy Covariance）計(jì)算海氣通量具有較為明顯的影響[5-6]。

以上測(cè)風(fēng)偏差與測(cè)風(fēng)傳感器本身的測(cè)量精度無關(guān)，提高傳感器測(cè)量精度并不能消除偏差。實(shí)際上，船舶測(cè)風(fēng)易受干擾的問題由來已久[7]，氣流在船體和上層建筑周圍產(chǎn)生鈍體繞流使船體周圍氣流場(chǎng)形態(tài)發(fā)生變化。世界氣象組織規(guī)定測(cè)風(fēng)傳感器應(yīng)安裝于船上開闊位置，盡量靠近安裝平臺(tái)前部并具有一定高度[8]。由于無法將測(cè)風(fēng)傳感器安裝到距離船體或上層建筑足夠遠(yuǎn)的位置，傳感器測(cè)量的是測(cè)風(fēng)點(diǎn)處受干擾氣流的速度和方向[9]，有必要對(duì)測(cè)風(fēng)偏差進(jìn)行校正。

目前，計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics, CFD)仿真已被廣泛應(yīng)用于氣流場(chǎng)分析與相關(guān)研究領(lǐng)域[10]。Yelland等指出測(cè)風(fēng)點(diǎn)處氣流速度與自由來流速度的比值在5～25 m/s范圍內(nèi)近似為常數(shù)[9]。Dupius等利用CFD仿真數(shù)據(jù)校正海面阻力系數(shù)CD10N[11]。Popinet等指出風(fēng)速偏差獨(dú)立于雷諾數(shù)而依賴于相對(duì)風(fēng)向[12]。Moat等指出艦橋上部氣流場(chǎng)形態(tài)在雷諾數(shù) 2×105～1×107范圍內(nèi)無顯著差異[13-14]。Griessbaum指出測(cè)風(fēng)偏差影響數(shù)值模式參數(shù)化方案，會(huì)導(dǎo)致氣體輸運(yùn)速度kg有30%～50%的偏差[15]。O’Sullivan等指出校正測(cè)風(fēng)偏差需要更多不同迎風(fēng)角度的仿真數(shù)據(jù)[16]。Polsky分析了艦載機(jī)起降平臺(tái)上的湍流擾動(dòng)[17]。Wn?k等對(duì)LNG船風(fēng)載荷進(jìn)行評(píng)估并驗(yàn)證了CFD仿真結(jié)果的一致性[18]。賀少華等[19]對(duì)載機(jī)艦船氣流場(chǎng)相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。王偉[20]、趙永振[21]研究了不同船型上層建筑布局對(duì)氣流場(chǎng)的影響。郜冶等對(duì)護(hù)衛(wèi)艦船體周圍氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬[22]。姜治芳等在艦船氣流場(chǎng)研究方面做了大量工作[23-24]。上述研究工作針對(duì)不同問題，對(duì)船體周圍鈍體繞流流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，但未涉及海面風(fēng)測(cè)量偏差的建模與校正。

本文采用CFD仿真方法研究某實(shí)驗(yàn)船船體周圍鈍體繞流氣流場(chǎng)的分布情況，利用最小二乘支持向量機(jī) （Least Square Support Vector Machine，LSSVM）對(duì)不同迎風(fēng)角度條件下的風(fēng)速、風(fēng)向偏差進(jìn)行回歸建模，通過海上實(shí)船實(shí)驗(yàn)采集不同測(cè)風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該方法校正測(cè)風(fēng)偏差的實(shí)際效果。

1 數(shù)值仿真

采用隱式修正SIMPLE算法求解三維不可壓縮流體RANS方程和RNG k-epsilon兩方程湍流模型，通過CFD仿真結(jié)果研究某型船鈍體繞流氣流場(chǎng)，利用LSSVM建立測(cè)風(fēng)偏差校正模型。

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

以某實(shí)驗(yàn)船為例建立全尺寸三維幾何模型，將特征長(zhǎng)度小于7‰船長(zhǎng)并且對(duì)氣流影響小的船體、上層建筑和桅桿附體進(jìn)行刪減，包括圍欄、支架、天線等，僅保留對(duì)氣流場(chǎng)存在顯著遮擋的大尺度幾何特征。處理后的三維船體幾何模型呈左右舷對(duì)稱。計(jì)算域采用圓柱體形式，船舶三維幾何模型置于計(jì)算域底面中心，底面半徑為3.9倍船長(zhǎng)，高度為1.6倍船長(zhǎng)，計(jì)算域入口和出口分別由圓柱體側(cè)面的1/ 2構(gòu)成（如圖1所示）。整個(gè)計(jì)算域阻塞比小于3%。

圖1 計(jì)算域尺寸

采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)上層建筑和桅桿區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密以保證網(wǎng)格質(zhì)量。在入口風(fēng)速為5 m/s工況下，設(shè)置邊界層第一層網(wǎng)格高度為3 mm，以滿足湍流模型計(jì)算所使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的y+條件。各工況下y+值范圍為30～100。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)網(wǎng)格無關(guān)性，在桅桿左、右橫桁與艦橋上部分別設(shè)置半徑為1 m的球形區(qū)域，觀察流經(jīng)以上3個(gè)區(qū)域氣流的平均速度和方向。桅桿左、右橫桁對(duì)應(yīng)于實(shí)際的測(cè)風(fēng)傳感器安裝位置，艦橋上部對(duì)應(yīng)于海上實(shí)船實(shí)驗(yàn)安裝的參考測(cè)風(fēng)傳感器位置（以下稱參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)）。圖2為船體正面迎風(fēng)（海平面10 m高度風(fēng)速設(shè)置為5 m/s）時(shí)，3個(gè)區(qū)域的平均風(fēng)速變化情況。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到360萬，關(guān)注區(qū)域平均風(fēng)速基本不隨網(wǎng)格數(shù)量變化，因此選取360萬網(wǎng)格進(jìn)行各工況的CFD仿真。船體周圍區(qū)域的局部網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 船體周圍面網(wǎng)格示意圖

1.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在相同迎風(fēng)角度條件下，船體周圍鈍體繞流氣流場(chǎng)形態(tài)在雷諾數(shù)2×105～1×107范圍內(nèi)無顯著差異[13]，經(jīng)過測(cè)風(fēng)點(diǎn)處的氣流與自由來流的流速比值基本不變。本文采用相同的入口風(fēng)速對(duì)不同迎風(fēng)角度工況進(jìn)行仿真。

仿真過程設(shè)定船體靜止不動(dòng)，縱、橫搖角度均為0°，氣流由入口流經(jīng)船體和上層建筑，從而模擬相對(duì)風(fēng)的測(cè)量過程。與風(fēng)洞試驗(yàn)類似，船體外表面與海平面設(shè)定為無滑移壁面，計(jì)算域上邊界設(shè)定為自由滑移壁面。出口邊界設(shè)定為壓力出口。入口邊界設(shè)定為速度入口，流速剖面采用對(duì)數(shù)率：

海面10 m高度風(fēng)速u10N設(shè)為5 m/s，卡爾曼常數(shù)kv設(shè)為0.4，海面粗糙度長(zhǎng)度z0設(shè)為2 mm。

采用定常方式求解三維不可壓縮氣流RANS方程，湍流模型選擇RNG k-epsilon模型。對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，收斂殘差設(shè)為10E-4。計(jì)算收斂后，輸出CFD仿真結(jié)果中三個(gè)關(guān)注區(qū)域的平均風(fēng)速、風(fēng)向。

1.3 仿真結(jié)果分析

自由來流受船體遮擋后產(chǎn)生垂直位移，近海平面氣流在船體和上層建筑周圍產(chǎn)生鈍體繞流，流速、流向均發(fā)生改變。圖5為特定迎風(fēng)角度工況下經(jīng)過測(cè)風(fēng)點(diǎn)處的氣流流線圖，具體的流速、流向變化情況見表1。

表1 特定迎風(fēng)角度工況的風(fēng)速、風(fēng)向變化

圖5 測(cè)風(fēng)傳感器安裝位置流線圖

當(dāng)0°迎風(fēng)時(shí)，經(jīng)過3個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)處氣流的垂直位移較?。ㄗ畲?.6 m），桅桿橫桁測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速值接近參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速值，參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)向更接近自由來流。其他3個(gè)角度迎風(fēng)時(shí)，氣流垂直位移均較為明顯（最大垂直位移分別為7.9 m、11 m和10.6 m）。

當(dāng)90°迎風(fēng)時(shí)，背風(fēng)側(cè)傳感器受遮擋嚴(yán)重，因此風(fēng)速顯著降低，迎風(fēng)側(cè)傳感器風(fēng)向值更接近自由來流。當(dāng)45°和135°迎風(fēng)時(shí)，迎風(fēng)側(cè)傳感器風(fēng)向值更接近自由來流，背風(fēng)側(cè)傳感器風(fēng)速值高于迎風(fēng)側(cè)并且變化梯度較大。

左、右舷測(cè)風(fēng)點(diǎn)在不同迎風(fēng)角度(間隔10°)工況下的風(fēng)速比例、風(fēng)向差值如圖6所示。隨著迎風(fēng)角度的改變，桅桿左右兩側(cè)實(shí)際測(cè)風(fēng)點(diǎn)與參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)速比例變化呈非線性趨勢(shì)。相對(duì)于風(fēng)速比例，風(fēng)向差值的變化則更為復(fù)雜，無顯著規(guī)律。

圖6 不同迎風(fēng)角度條件下的風(fēng)速、風(fēng)向偏差

從CFD仿真結(jié)果可以看出測(cè)風(fēng)偏差與迎風(fēng)角度直接相關(guān)。迎風(fēng)角度是建立桅桿左右兩側(cè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)與艦橋上部參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)之間風(fēng)速、風(fēng)向關(guān)系的重要變量。

1.4 測(cè)風(fēng)偏差校正模型

校正測(cè)風(fēng)偏差需建立測(cè)風(fēng)傳感器安裝高度上未受干擾的自由來流與測(cè)風(fēng)點(diǎn)處受干擾氣流之間的映射關(guān)系，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)自由來流。通過CFD仿真數(shù)據(jù)對(duì)上述對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行建模是可行的，但是將測(cè)風(fēng)傳感器安裝到足夠遠(yuǎn)離船體的位置同步采集自由來流數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)，無法利用實(shí)驗(yàn)方法直接進(jìn)行建模和驗(yàn)證。

為解決這一問題，海上實(shí)船實(shí)驗(yàn)時(shí)在艦橋上部特定位置安裝一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用測(cè)風(fēng)傳感器，該安裝位置與CFD仿真過程中艦橋上部參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，并將其測(cè)量值作為參考值。需要指出的是該測(cè)風(fēng)點(diǎn)實(shí)際上并不是理想的測(cè)風(fēng)傳感器安裝位置，同樣會(huì)受到船體和上層建筑影響。

若利用CFD仿真數(shù)據(jù)對(duì)桅桿左、右橫桁與參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)處氣流之間的非線性關(guān)系進(jìn)行建模，然后通過實(shí)船實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法可行，則利用CFD仿真數(shù)據(jù)對(duì)桅桿左、右橫桁與CFD仿真入口處的自由來流之間的非線性關(guān)系進(jìn)行建模并估計(jì)未受干擾的自由來流，理論上也是可行的。

LSSVM在測(cè)量數(shù)據(jù)非線性關(guān)系回歸預(yù)測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用[25]。本文利用LSSVM分別對(duì)桅桿左、右橫桁測(cè)風(fēng)點(diǎn)和艦橋上部參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)處風(fēng)速、風(fēng)向之間的非線性關(guān)系進(jìn)行回歸，建立測(cè)風(fēng)偏差校正模型。核函數(shù)選擇高斯核。得到以下關(guān)系：

式中：wdm為平均相對(duì)風(fēng)向測(cè)量值；rws為風(fēng)速比例，即桅桿測(cè)風(fēng)點(diǎn)平均相對(duì)風(fēng)速wsm與參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)的平均相對(duì)風(fēng)速wsref的比值。Δθ為風(fēng)向偏差，即桅桿測(cè)風(fēng)點(diǎn)平均相對(duì)風(fēng)向wdm與參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)的平均相對(duì)風(fēng)向wdref的差值。

海面平均風(fēng)測(cè)量偏差校正過程如下：（1）根據(jù)左、右舷實(shí)測(cè)風(fēng)向值得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)速比例和風(fēng)向差值；（2）按照對(duì)應(yīng)的風(fēng)速比例分別校正左、右舷實(shí)測(cè)風(fēng)速值，按照對(duì)應(yīng)的風(fēng)向差值分別校正左、右舷實(shí)測(cè)風(fēng)向值；（3）對(duì)校正后的左、右舷風(fēng)速、風(fēng)向值進(jìn)行矢量平均。

2 實(shí)船實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)海上實(shí)船實(shí)驗(yàn)，同步采集不同測(cè)風(fēng)點(diǎn)處的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)風(fēng)偏差校正模型進(jìn)行驗(yàn)證。海上實(shí)船實(shí)驗(yàn)與CFD仿真船型一致，各測(cè)風(fēng)點(diǎn)位于桅桿左、右橫桁和艦橋上部靠近左舷位置，分別對(duì)應(yīng)于CFD仿真各關(guān)注區(qū)域的中心。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

海面風(fēng)速、風(fēng)向采集通過3臺(tái)測(cè)風(fēng)傳感器、1臺(tái)數(shù)據(jù)采集器和1臺(tái)工控機(jī)完成。3臺(tái)測(cè)風(fēng)傳感器分別安裝于桅桿左、右橫桁和艦橋上部，安裝點(diǎn)位示意圖見圖7。桅桿兩側(cè)分別安裝1臺(tái)螺旋槳式測(cè)風(fēng)傳感器，高度距離海平面26 m，橫向距離船體中線面4.06 m；艦橋上部安裝1臺(tái)超聲測(cè)風(fēng)傳感器，由長(zhǎng)度為9 m的支撐桿安裝于距海平面23.6 m高度位置，橫向距離船體中線面4 m。桅桿兩側(cè)與艦橋上部測(cè)風(fēng)點(diǎn)之間的縱向距離為12 m。兩種測(cè)風(fēng)傳感器測(cè)量精度見表2。

圖7 測(cè)風(fēng)傳感器安裝點(diǎn)位示意圖

表2 測(cè)風(fēng)傳感器測(cè)量精度

測(cè)風(fēng)傳感器與數(shù)據(jù)采集器通過RS422串口連接。數(shù)據(jù)采集器與工控機(jī)通過232串口連接，每隔2 s與數(shù)據(jù)采集器通信并記錄當(dāng)前時(shí)刻的瞬時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向值。平均相對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)由2 min滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的瞬時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量平均后計(jì)算得到。

對(duì)于桅桿兩側(cè)均安裝測(cè)風(fēng)傳感器的船舶，通常以迎風(fēng)一側(cè)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)為主（以下稱直接輸出）。本文對(duì)比直接輸出和CFD建模校正后的風(fēng)速、風(fēng)向偏差，以此檢驗(yàn)CFD仿真建模方法校正測(cè)風(fēng)偏差的實(shí)際效果。

2.2 數(shù)據(jù)處理

海上實(shí)船實(shí)驗(yàn)航次共計(jì)48 d，期間經(jīng)歷不同天氣、海況條件，記錄了包括錨泊和航行狀態(tài)的瞬時(shí)相對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。其中，航行狀態(tài)下測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)記錄共計(jì)30.8萬條，風(fēng)速數(shù)據(jù)范圍為1.1～28 m/s，風(fēng)向數(shù)據(jù)范圍為0～355°。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取航行于開闊水域（航速6 kn以上）的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，以便排除錨泊時(shí)港口復(fù)雜環(huán)境（包括大型塔吊和其他大型船舶）對(duì)實(shí)驗(yàn)船舶周圍氣流場(chǎng)的干擾。

用矢量平均法處理瞬時(shí)相對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，得到平均相對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，然后從處理后的數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取3 300條平均相對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證CFD仿真建模方法校正測(cè)風(fēng)偏差的實(shí)際效果。3個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)分布情況如圖8所示。船舶航行時(shí)相對(duì)風(fēng)向多以正面來風(fēng)為主，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集中在相對(duì)風(fēng)向0°附近。船體和上層建筑附體實(shí)際上并非左右舷對(duì)稱，桅桿左、右兩側(cè)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的分布存在差異。

圖8 測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)分布情況

3 結(jié)果分析

利用實(shí)船測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證CFD仿真建模方法校正風(fēng)速、風(fēng)向偏差的實(shí)際效果，分析影響偏差校正準(zhǔn)確性的因素。

3.1 校正效果驗(yàn)證

計(jì)算未校正的直接輸出方式和CFD建模校正后的風(fēng)速、風(fēng)向偏差，結(jié)果如圖9所示。直接輸出風(fēng)速、風(fēng)向與參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)差異較大，平均風(fēng)速偏差比例為5.9%(標(biāo)準(zhǔn)差0.05)，平均風(fēng)向偏差為5.8°(標(biāo)準(zhǔn)差4.6)。直接輸出的風(fēng)速比例偏差曲線波動(dòng)明顯，說明不同迎風(fēng)角度會(huì)導(dǎo)致不同程度的風(fēng)速偏差。CFD仿真建模校正后的風(fēng)速偏差降低了56%，平均風(fēng)速偏差比例為2.6%(標(biāo)準(zhǔn)差0.03)，但并未完全消除不同迎風(fēng)角度條件下的風(fēng)速偏差。CFD仿真建模的平均風(fēng)向偏差為6.8°(標(biāo)準(zhǔn)差2.7)，略大于直接輸出的風(fēng)向偏差，但是對(duì)于使用船舶測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用幾乎沒有影響。后文將對(duì)校正后風(fēng)速偏差增大的原因做進(jìn)一步分析。

圖9 風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量偏差校正效果

校正后的風(fēng)速越接近于參考風(fēng)速，并且風(fēng)向偏差越小則證明對(duì)測(cè)風(fēng)偏差的校正效果越顯著。圖10為直接輸出和CFD仿真建模校正后的風(fēng)速比例、風(fēng)向偏差散點(diǎn)圖。經(jīng)過CFD仿真建模校正后的風(fēng)速與參考風(fēng)速比值更接近于1。如果選擇傳感器安裝高度上遠(yuǎn)離船體（例如CFD仿真入口）的自由來流作為參考，則該方法可用于估計(jì)自由來流。

圖10 校正后的風(fēng)速、風(fēng)向偏差散點(diǎn)圖

3.2 誤差分析

CFD仿真建模并未完全消除測(cè)風(fēng)偏差，進(jìn)一步分析在不同迎風(fēng)角度區(qū)間內(nèi)對(duì)左、右舷測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)校正后的風(fēng)速、風(fēng)向偏差分布情況。船舶航行時(shí)，相對(duì)風(fēng)向多以正面來風(fēng)為主，將樣本數(shù)據(jù)按不同迎風(fēng)角度劃分為左舷來風(fēng)(315°～345°)、右舷來風(fēng)（15°～45°）和船艏來風(fēng)（0°±15°）3個(gè)區(qū)間。

圖11 風(fēng)向數(shù)據(jù)校正效果對(duì)比

對(duì)比校正后的左、右舷和模型輸出的風(fēng)向在3個(gè)不同區(qū)間內(nèi)的平均偏差（圖11），可見模型對(duì)左、右舷風(fēng)向的校正效果并不相同。對(duì)左舷測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正后，各迎風(fēng)角度區(qū)間的平均風(fēng)向偏差較大（左舷迎風(fēng)時(shí)為9.9°，船艏迎風(fēng)時(shí)為11.5°，右舷迎風(fēng)時(shí)為4.6°）。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)船型桅桿兩側(cè)附體并非完全對(duì)稱，而CFD仿真使用簡(jiǎn)化的船體三維幾何模型呈左右舷對(duì)稱。由于忽略了非對(duì)稱的局部氣流場(chǎng)干擾物，仿真結(jié)果中測(cè)風(fēng)點(diǎn)處氣流方向與實(shí)船存在差異，造成建模校正后的平均風(fēng)向偏差反而增大。

圖12為校正后的左、右舷和模型輸出風(fēng)速的平均偏差對(duì)比結(jié)果。左舷測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)校正后的偏差分別為：左舷迎風(fēng)時(shí)5.1%，船艏迎風(fēng)時(shí)1.6%，右舷迎風(fēng)時(shí)2.4%，迎風(fēng)一側(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)速偏差高于背風(fēng)一側(cè)，表明CFD仿真過程對(duì)左側(cè)橫桁測(cè)風(fēng)點(diǎn)周圍的局部風(fēng)場(chǎng)干擾物（如球狀天線）進(jìn)行刪減會(huì)影響建模的準(zhǔn)確性。本文采用矢量平均法對(duì)校正后的左、右舷風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，即左、右舷數(shù)據(jù)具有相等的權(quán)值，因此左舷建模校正后的較大偏差造成了模型最終輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖12 風(fēng)速數(shù)據(jù)校正效果對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)船舶海面平均風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量偏差校正問題，采用CFD仿真方法研究某實(shí)驗(yàn)船船體周圍鈍體繞流氣流場(chǎng)的分布情況，利用LSSVM對(duì)桅桿左、右橫桁與艦橋上部參考測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)向間的非線性關(guān)系進(jìn)行回歸，建立測(cè)風(fēng)偏差校正模型。通過海上實(shí)船實(shí)驗(yàn)，采集不同測(cè)風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。驗(yàn)證結(jié)果表明CFD仿真建模方法能夠有效降低風(fēng)速偏差56%。該方法便于建立海面自由來流與測(cè)風(fēng)點(diǎn)處受干擾氣流之間的非線性關(guān)系，可用于估計(jì)海面自由來流。CFD仿真過程中對(duì)船體三維幾何模型的處理應(yīng)權(quán)衡仿真計(jì)算量和干擾測(cè)風(fēng)過程的附體結(jié)構(gòu)的刪減。本文CFD仿真過程中未考慮船體搖擺，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)校正后再輸入測(cè)風(fēng)偏差校正模型有助于進(jìn)一步降低測(cè)風(fēng)偏差。

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A Bias Correction Method of Ship Wind Measurement Based on Airflow Field Simulation

HU Tong,QI Sui-ping,GUO Yan-ping,WANG Dong-ming
Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology,Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences,National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment,Qingdao 266001,Shandong Province,China

Shipboard sea surface wind measurement is affected by the airflow distortion caused by ship hull and superstructure,which leads to measurement data bias.To address the bias correction problem for the relative wind measurement bias from shipborne anemometer,this paper adopts the CFD simulation method to study the airflow field around the ship hull and superstructure in order to quantitively analyze the wind-bias between the anemometers installed on both sides of the mast and the anemometer installed above the bridge for reference purposes.Then LSSVM is applied to establish the wind-bias correction model.To validate the correction effect of the proposed method,an experimental voyage was undertaken to collect wind measurements from corresponding measurement points.The results show that the CFD-based wind-bias correction model can effectively reduce 56%of the wind speed bias.

ship airflow field;CFD;wind measurement;bias correction

TH765

A

1003-2029（2017）02-0028-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.005

2017-07-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41606112）；山東省科學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目（2014QN034）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015GSF115018）

胡桐（1983-），博士，助理研究員，現(xiàn)從事船舶氣象觀測(cè)相關(guān)問題研究。Email:tong.hu@hotmail.com