船舶操縱性數(shù)值的預(yù)報粘性流研究

陶峰

摘 要：隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提高和信息時代的不斷發(fā)展，計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)應(yīng)運而生，該技術(shù)憑借著自身獨有的優(yōu)勢和應(yīng)用前景，被廣泛地應(yīng)用于船舶操縱性預(yù)報領(lǐng)域中，為提高航向能力和船舶操縱性發(fā)揮出重要作用。為了進一步提高船舶操縱性數(shù)值預(yù)報精度，現(xiàn)以KVLCC2標(biāo)準(zhǔn)船模為主要研究對象，嚴(yán)格按照船舶操縱性數(shù)值預(yù)報粘性流計算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，采用數(shù)值模擬的方式，研究了船舶在淺水中斜航運動粘性流場及水動力計算方法。結(jié)果表明;船舶操縱性數(shù)值的預(yù)報粘性流計算方法具有很高的可行性和有效性，為不僅簡化了試驗流程，還保證了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性，為進一步提高船舶優(yōu)化設(shè)計水平打下堅實的基礎(chǔ)。希望通過這次研究，為相關(guān)從業(yè)人員提供有效的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：船舶;操縱性;數(shù)值;預(yù)報;粘性流

中圖分類號：U661.33 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0009-04

Research on Forecasting Viscous Flow of Ship

Maneuverability Numerical Value

Tao Feng

（Tianjin Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin 300459， China）

Abstract：With the continuous improvement of the social and economic level and the continuous development of the information age， computational fluid dynamics （CFD） technology emerged at the historic moment. With its own unique advantages and application prospects， this technology is widely used in the field of ship maneuverability prediction， it plays an important role in improving the heading capability and ship maneuverability. In order to further improve the accuracy of the ship maneuverability numerical prediction， the KVLCC2 standard ship model is now the main research object， strictly in accordance with the relevant standards and requirements for the calculation of the ship maneuverability numerical prediction viscous flow calculation， and the method of numerical simulation is used to study the ship slanting in shallow water Kinematic viscous flow field and hydrodynamic calculation method. The results show that the forecast viscous flow calculation method for ship maneuverability values is highly feasible and effective， which not only simplifies the test process， but also ensures the accuracy and authenticity of the test results， and lays a foundation for further improving the level of ship optimization design solid foundation. It is hoped that this research will provide effective reference and reference for relevant practitioners.

Key words：ship; maneuverability; numerical value; forecast; viscous flow

船舶操縱性主要是指船舶采用控制裝置的方式，對運動速率、運動姿態(tài)和運動方向進行科學(xué)改變和調(diào)整，確保在操縱裝置的控制狀態(tài)下，也能有效地提升船舶的航向能力和慣性，為了確保提高船舶能夠可靠、穩(wěn)定、安全地航行，避免因船舶操縱性過低而引發(fā)海難安全事故，如何科學(xué)計算船舶操縱性數(shù)值預(yù)報粘性流是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 船舶操縱性數(shù)值預(yù)報粘性流計算

1.1 計算模型及網(wǎng)格劃分

本文研究對象以KVLCC2為主，通過構(gòu)建如圖1所示的KVLCC2標(biāo)準(zhǔn)船模[1]，按照如表1所示的實船和模型的相關(guān)參數(shù)，從以下4個方面入手，完成對網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)劃分。

1.1.1 計算域確定

通過選取如圖2所示的計算區(qū)域，將入流邊界設(shè)置在船首上游處，同時，將出流邊界設(shè)置在船尾下游處，然后，在船側(cè)位置設(shè)置入流邊界[2]，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)計算工況相關(guān)設(shè)計需求，在綜合考慮興波特征的基礎(chǔ)上，采用構(gòu)建計算模型的方式，對該計算區(qū)域進行精確計算。

1.1.2 網(wǎng)格劃分與生成

計算網(wǎng)格通常可以劃分為以下2種類型，一種是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，另一種是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格主要是指采用代數(shù)計算法，通過對物理區(qū)域的劃分和描述，并借助偏微分的應(yīng)用優(yōu)勢，生成相應(yīng)的網(wǎng)格，這種類型網(wǎng)格主要適用于網(wǎng)格節(jié)點設(shè)置，采用縱向連接的方式，就可以將網(wǎng)格節(jié)點進行有效地連接。此外，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有編程簡單、內(nèi)存占用需求小等特征，主要適用于高效算法中。因此，在利用計算流體力學(xué)技術(shù)的過程中，技術(shù)人員優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。通過利用圖形設(shè)計軟件，根據(jù)KVLCC2標(biāo)準(zhǔn)船模使用需求，生成相應(yīng)的網(wǎng)格。計算對象主要以實船模型為主，這無疑增加了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分難度[3]。但是，由于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有計算精度高、時間成本低等特征，因此，在劃分網(wǎng)格時，技術(shù)人員要優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，然后，利用相關(guān)軟件，生成如圖3所示的船體網(wǎng)格。

1.1.3 多重網(wǎng)格和區(qū)域分解

在利用RANS方程求解船舶操縱性數(shù)值時，技術(shù)人員要重視對多重網(wǎng)格和區(qū)域分解方式的利用，這些方式在具體的運用中，主要借助了線性代數(shù)方程，通過構(gòu)建和設(shè)計系數(shù)矩陣，以實現(xiàn)對船舶操縱性數(shù)值的精確計算和統(tǒng)計，為后期更好地控制船舶的運動方向、運動姿態(tài)和運動速度創(chuàng)造良好的條件。其中，多重網(wǎng)格作為一種常用的MG方法，在具體的使用中，需要注意以下2點：①科學(xué)控制和調(diào)整網(wǎng)格線的粗細程度，避免因網(wǎng)格線過粗而影響船舶操縱性數(shù)值最終計算結(jié)果準(zhǔn)確性;②盡可能提高船舶粘性流的穩(wěn)定性，避免因船舶粘性流起伏過大而嚴(yán)重影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。區(qū)域分解作為一種先進技術(shù)，在縮短CPU時間成本方面發(fā)揮出重要作用，目前，區(qū)域分解方法主要由兩種類型組成，一種是非均衡區(qū)域分解方法，另一種是均衡區(qū)域分解方法。其中，非均衡區(qū)域分解方法在具體的運用中，主要根據(jù)各個區(qū)域劃分需求，通過利用不同的求解方程，實現(xiàn)對相關(guān)結(jié)果的精確計算;均衡區(qū)域分解方法在具體的運用中，嚴(yán)格按照區(qū)域劃分相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，采用構(gòu)建同一組方程的方式，實現(xiàn)對復(fù)雜幾何體計算流程的簡化，從而極大地提高相關(guān)參數(shù)的計算效率和效果。

1.1.4 勢流理論方法應(yīng)用

在對船舶預(yù)報粘性流進行計算的過程中，為了保證最終計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員要重視對勢流理論方法的科學(xué)應(yīng)用，該方法在具體的運用中，主要通過計算和統(tǒng)計船舶在流場中速度，以達到解決船舶的勢流問題，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)船體速度特征，計算出船體的最終水動力，為后期更好地測量和控制船舶預(yù)報粘性流打下堅實的基礎(chǔ)。勢流理論方法主要由以下3種類型組成：①切分法。切分法主要用于對對復(fù)雜三維流動問題的簡化處理，通過將其轉(zhuǎn)換為二維流動問題，使得整個計算流程變得更加簡單化和高效化，但是，該方法存在一定的弊端，計算結(jié)果與實際試驗結(jié)果之間往往存在很大的誤差;②細長體理論法。細長體理論法是在切分法的基礎(chǔ)上演變而來的，因此，該方法在技術(shù)上和操作上實現(xiàn)很大的突破和創(chuàng)新，該方法在具體的運用中，通過將流場劃分為兩種類型，一種是遠場，另一種是近場，然后，采用逐漸匹配的方式，將三維流動問題轉(zhuǎn)化簡單的二維流動問題進行求解，這樣一來，不僅降低了求解難度，還提高求解結(jié)果的真實性、準(zhǔn)確性和完整性，為進一步提高求解效率和效果提供有力的保障。與切分法相比，細長體理論法在使用的過程中，并沒有增加過多的計算量，該方法僅僅借助了三維流效應(yīng)原理，盡可能縮小計算結(jié)果與實際試驗結(jié)果之間的誤差，為進一步提高試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性打下堅實的基礎(chǔ)。因此，細長體理論法被廣泛地應(yīng)用于船舶預(yù)報粘性流計算中，從而實現(xiàn)對船舶優(yōu)化設(shè)計水平的全面提高。由此可見，細長體理論法具有非常高的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景，技術(shù)人員要重視對該方法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，只有這樣，才能促進船舶健康、可持續(xù)發(fā)展;③三維方法。三維方法在具體的運用中，主要利用船體表面奇點分布特征，對船舶的運動速度、運動方向和運動姿態(tài)進行全方位控制和調(diào)整，同時，在綜合考慮物面邊界條件的基礎(chǔ)上，針對船體表面奇點的分布特征，精確地計算出最終的擾動速度勢。

1.2 數(shù)值方法

數(shù)值方法主要是指采用直接求解法，借助RANS方程，完成對有限體積的精確計算。同時，還要在綜合考慮壓力速度的基礎(chǔ)上，利用SIMPLE算法[4]，對計算過程中出現(xiàn)的各種參數(shù)進行統(tǒng)一設(shè)置和調(diào)整，如船舶動量、湍流耗散率等參數(shù)。這樣一來，不僅有利于提高計算結(jié)果的真實性、準(zhǔn)確性和完整性[5]，為后期更好地計算船舶預(yù)報粘性流提供重要的依據(jù)和參考。此外，為了充分發(fā)揮和利用數(shù)值方法的應(yīng)用優(yōu)勢，技術(shù)人員要重視對湍流模式的科學(xué)應(yīng)用。湍流模式作為一種新穎、高效的處理模式，能更及時、有效地處理非對稱型的湍流問題。

2 KVLCC2模型斜拖試驗

隨著計算流體力學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于KVLCC2模型斜拖試驗中，為了更好地驗證該技術(shù)的有效性和科學(xué)性[6]，現(xiàn)根據(jù)KVLCC2模型斜拖試驗結(jié)果，從以下4個方面入手，對該技術(shù)的作用和價值進行有效地驗證。

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

本次試驗中選用的船模主要以KVLCC2標(biāo)準(zhǔn)船模為主，通過將其縮尺比設(shè)置為90，并根據(jù)如表2所示的實船和模型的相關(guān)參數(shù)，開展相應(yīng)的斜拖試驗，當(dāng)船模呈現(xiàn)為全束縛狀態(tài)時，說明船舶運行性能良好。

2.2 試驗工況

本次試驗工況主要由以下兩種情況組成：①試驗工況一，該工況將船模運行速度設(shè)置為0.38m/實船，同時將7個不同的試驗漂角分別設(shè)置為-2°、-4°-6°、0°、+2°、+4°、+6°，然后，完成對船模吃水的設(shè)計;②試驗工況二，該工況將船模運行速度設(shè)置為0.84m/實船，同時將7個不同的試驗漂角分別設(shè)置為-1°、-3°-5°、0°、+1°、+3°、+5°，然后，完成對船模吃水的設(shè)計。

2.3 模型試驗

本次試驗主要是在拖曳水池中開展，因此，該試驗被稱為“斜拖試驗”，斜拖試驗如圖4所示。從圖中可以看出，在進行斜拖試驗時，需要將兩個相同的傳感裝置設(shè)置在船模上，并保證其距離船模的距離為1m，通過精確地測量和統(tǒng)計船模的所承受的最大力[7]，以確定船模的力矩大小。

為了提高斜拖試驗結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性，技術(shù)人員要根據(jù)如表3所示的實船和模型的相關(guān)參數(shù)，完成對模型坐標(biāo)系的構(gòu)建，同時，還要將數(shù)據(jù)采集時間設(shè)置為0.02s，然后，針對兩種不同試驗工況相關(guān)信息，完成對船首和船尾波形的科學(xué)設(shè)計。

2.4 試驗結(jié)論及分析

在斜拖試驗中，通過測量船模的漂角，完成對船模側(cè)向力系數(shù)的科學(xué)調(diào)整和控制，盡管試驗結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，但是卻存在一定的誤差[8]，其原因主要體現(xiàn)在以下3個方面：①在進行斜拖試驗時，由于試驗儀器存在一定的誤差，導(dǎo)致測力裝置在轉(zhuǎn)化電信號期間，出現(xiàn)相應(yīng)的干擾現(xiàn)象，造成最終的試驗結(jié)果出現(xiàn)一定程度的誤差;②船模速度與實際試驗結(jié)果存在一定的誤差;③在進行斜拖試驗時，所選用的船模與實際計算尺度之間存在一定的誤差[9]。

3 船模在淺水中斜航運動粘性流場及水動力計算

3.1 研究對象

為了更好地觀察和檢驗船舶在淺水情況下所達到的船舶操縱性數(shù)值，現(xiàn)以KVLCC2標(biāo)準(zhǔn)船模為研究對象，對船模在淺水狀態(tài)下的斜航運動粘性流場進行模擬和計算，并根據(jù)最終計算的水動力完成對船舶運動速率、運動方向的有效控制和調(diào)整，為提高船舶優(yōu)化設(shè)計水平打下堅實的基礎(chǔ)。

3.2 邊界條件確定

通常情況下，船舶流體在流動的過程中，通常受到邊界條件的限制，為了保證船舶流體的自由性和靈活性，技術(shù)人員要利用數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對邊界條件的科學(xué)控制和調(diào)整。邊界條件主要是指流場在邊界上必須要符合數(shù)學(xué)約束條件，從而得出特點問題的特定解，為后期更好地計算船舶預(yù)報粘性流發(fā)揮出重要作用。本次試驗中，所設(shè)置的邊界條件主要有以下4種：①進流邊界條件，該邊界條件主要是指通過采用速度進口設(shè)置的方式，完成對船舶運動速度和方向的控制和調(diào)整。該邊界條件作為船舶流體的主要入口，可以實現(xiàn)對船體外部流動趨勢的有效控制，這種邊界條件又被稱為“人工虛擬邊界”，在應(yīng)用該邊界條件的過程中，技術(shù)人員要根據(jù)距壁面的外部特征，在保證物理數(shù)值解的準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，科學(xué)設(shè)置入口速度和條件;②出流邊界條件，該邊界條件主要是指通過盡可能滿足船舶遠場環(huán)境中的運動需求，實現(xiàn)對遠場邊界條件的設(shè)置。出流邊界條件作為船舶流體的重要出口，需要借助虛擬邊界條件，實現(xiàn)對船舶外部流動趨勢的有效調(diào)整和控制，一旦船舶流動區(qū)域不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求時，技術(shù)人員要重新測量和確定流場的變量值，在此基礎(chǔ)上，借助湍流運輸方程，實現(xiàn)對出流本次試驗的有效設(shè)置和利用，為進一步提高船舶航行穩(wěn)定性、可靠性和安全性產(chǎn)生積極的影響;③物面邊界條件，該邊界條件主要是指船舶要滿足船體表面粗糙無滑動條件。為了進一步提高船舶的粘性流動效率和效果，技術(shù)人員要利用湍流運輸方程，對船舶物面邊界條件進行設(shè)置和利用，從而實現(xiàn)對局部雷諾數(shù)值的全方位控制和調(diào)整，為最大限度地提高船舶航行的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，促進船舶的創(chuàng)新、長遠發(fā)展發(fā)揮出重要作用;④對稱邊界條件，該邊界條件主要是指確保船舶自由面符合對稱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。為了充分發(fā)揮和利用對稱邊界條件的應(yīng)用優(yōu)勢，技術(shù)人員要將自由面設(shè)置為剛壁面，確保所獲得的流動結(jié)果與實際試驗結(jié)果相吻合，避免因兩者之間誤差過大而影響船舶預(yù)報粘性流結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性。

3.3 計算流體力學(xué)方法應(yīng)用

為了提高船舶預(yù)報粘性流計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性，技術(shù)人員在本次試驗中，要重視對計算流體力學(xué)方法的科學(xué)應(yīng)用，通過利用該方法，實現(xiàn)對船舶操縱性數(shù)值的精確計算，為后期更好解決和處理船舶操縱性問題，實現(xiàn)對船舶預(yù)報粘性流的科學(xué)控制和調(diào)整提供重要的依據(jù)和參考，只有這樣，才能保證船舶航行的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，以達到保護海洋環(huán)境的目的[10]。

3.4 試驗結(jié)論分析與探討

通過開展本次試驗，得出以下試驗結(jié)論：①船舶的橫向水動力系數(shù)容易受水深的影響，隨著水深的增強，船舶的水動力呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，由此可見，水深與船舶的水動力之間存在著正相關(guān)關(guān)系;②當(dāng)船舶水動力增加到一定程度時，船舶會出現(xiàn)縱滑現(xiàn)象或者升沉現(xiàn)象;③在淺水情況下，為了保證船舶操縱性水動力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，要將船體的運動姿態(tài)、運動速度和運動方向納入到本次計算流程中，以提高船舶水動力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

綜上所述，計算流體力學(xué)技術(shù)憑借著自身安全可靠、成本低、周期短、信息量龐大等特征，逐漸成為了船舶優(yōu)化設(shè)計的重要技術(shù)手段，通過將其應(yīng)用于船舶操縱性數(shù)值的預(yù)報粘性流計算中，不僅有效地提高了船舶操縱性數(shù)值的精確性和真實性，還為后期更好地控制和調(diào)整船舶的運動速率、運動姿態(tài)和運動方向提供重要的依據(jù)和參考。因此，技術(shù)人員要與時俱進，不斷學(xué)習(xí)計算流體力學(xué)相關(guān)新知識和新技術(shù)，進一步提高自身的專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)，為精確地計算和統(tǒng)計船舶操縱性運動水動力，提高船舶優(yōu)化設(shè)計水平貢獻自己的一份力量。

參考文獻

[1]徐俊榮.大型金槍魚船回轉(zhuǎn)運動粘性流場及水動力數(shù)值研究[D].舟山：浙江海洋大學(xué)，2020（08）：227-228.

[2]王小龍.淺水中低速小半徑回轉(zhuǎn)船舶水動力數(shù)值研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2020（08）：227-228..

[3]伍海華.淺水域大漂角斜航運動船舶水動力數(shù)值預(yù)報[D].上海：上海交通大學(xué)，2019（01）：234-235.

[4]李志鵬.冰區(qū)船舶回轉(zhuǎn)運動計算方法及數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2019（019）：159-161.

[5]陳進.低速域船舶操縱運動粘性流場及水動力數(shù)值研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2020（8）：4528.

[6]萬林，石寧權(quán)，楊波，等.船舶操縱性數(shù)值預(yù)報粘性流方法[C].船舶航泊安全的新經(jīng)驗新技術(shù)論文集（下冊）.中國航海學(xué)會，2020（04）：72-74.

[7]李玲.船舶的粘接技術(shù)[J].中外船舶科技，2020（11）：56-57.

[8]秦元弟.粘接技術(shù)在機械和船舶修理上的應(yīng)用[J].江蘇船舶，2020，33（5）：12-13.

[9]徐俊榮. 大型金槍魚船回轉(zhuǎn)運動粘性流場及水動力數(shù)值研究[D].舟山：浙江海洋大學(xué)，2019.

[10]伍海華. 淺水域大漂角斜航運動船舶水動力數(shù)值預(yù)報[D].上海：上海交通大學(xué)，2019.