研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模

aero-engine

2023年7月6日 15:01

本篇作者：盧蘇立

頁面編輯：王國輝、徐誠祺

內容校核：劉佳侖、李詩杰

船舶的操縱運動數(shù)學模型可以用于評估船舶的操縱性能，在當今智能船舶技術高速發(fā)展的時代發(fā)揮著越來越重要的作用。本文基于CFD與經驗方法提出了一種針對雙槳雙舵內河船舶的操縱運動數(shù)學模型，通過將模型仿真結果與一艘雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模自由自航模實驗結果的比較，驗證了該模型的有效性。本文采用CFD方法計算了模型船在不同進速系數(shù)和舵角下的螺旋槳及舵的水動力系數(shù)，并將計算結果回歸從而得到了考慮螺旋槳影響的舵力模型。本文首先驗證了CFD數(shù)值方法及舵力模型的可靠性，而后，將舵力模型與經驗公式相結合，實現(xiàn)并驗證了雙槳雙舵內河船舶的操縱運動建模。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.apor.2022.103261

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引用格式：

Lu Suli,Cheng Xide,Liu Jialun,Li Shijie,Yasukawa Hironori. Maneuvering modeling of a twin-propeller twin-rudder inland container vessel based on integrated CFD and empirical methods[J]. Applied Ocean Research,2022,126.

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liuli_research@outlook.com

Maneuvering modeling of a twin-propeller twin-rudder inland container vessel based on integrated CFD and empirical methods

基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模

盧蘇立，程細得，劉佳侖*，李詩杰，安川宏紀

本文的研究對象為一艘雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模，模型船長3.522m。模型船及自由自航模實驗場景如下圖所示。

研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模的圖1

研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模的圖2

模型船及實驗場景圖

模型框架

本文所提出的操縱運動模型在Liu 2017工作的基礎上，采用CFD方法對螺旋槳-舵的水動力性能進行了仿真，通過回歸分析得到了槳后舵升阻力系數(shù)的變化，結合經驗方法建立了雙槳雙舵內河船舶的操縱運動數(shù)學模型。本文提出的操縱模型框架及與Liu2017和Fujii方法計算舵力的比較如下圖所示。

研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模的圖3

驗證結果

為了對上述模型進行驗證，本文從兩個方面開展驗證工作。首先，以Wageningen B4-55 + NACA 0020槳舵系統(tǒng)為對象，驗證計算螺旋槳-舵系統(tǒng)水動力性能CFD計算方法的正確性。而后，以KVLCC2船舶配備的E698 + NACA 0018槳舵系統(tǒng)為對象，驗證本文提出的舵力模型的正確性。兩個方面的驗證結果如下圖所示。

研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模的圖4

CFD計算方法驗證

（Wageningen B4-55 + NACA 0020水動力系數(shù)CFD計算值與實驗值比較）

研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模的圖5

舵力模型驗證

（采用本文提出的舵力模型得到的KVLCC2船模-35°回轉實驗仿真結果與實驗結果的比較）

模型建立

在驗證了本文提出的操縱運動模型后，本文以雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模為對象，采用上文所述的CFD與經驗公式相結合的方法，建立了其操縱運動模型。

對雙槳雙舵64箱內河集裝箱船一舷的槳舵系統(tǒng)開展CFD仿真，得到的槳舵系統(tǒng)附近流場的壓力及流線分布如下圖所示。

研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模的圖6

壓力及流線分布

而后，比較了三種舵力模型，即Fujii模型、Liu2017中提出的模型和本文提出的模型。通過與±35°回轉實驗與±20°/±20°Z形實驗數(shù)據(jù)的比較，可以看出，本文提出的舵力模型能較好地描述操縱運動過程中時歷參數(shù)的變化。

研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模的圖7

三種舵力模型的比較

將雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模-15°回轉實驗與-20°/-20°Z形實驗的時歷參數(shù)與仿真值進行比較，如下圖所示。可以看出，本文基于CFD與經驗方法提出的操縱運動模型能較好地捕捉到操縱運動中時歷參數(shù)的變化。

研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模的圖8

64箱內河集裝箱船船模-15°回轉實驗仿真值與實驗值的比較

研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模的圖9

64箱內河集裝箱船船模-20°/-20°Z形實驗仿真值與實驗值的比較

總結

在未來的研究中，可以進一步完善本文中的操縱運動模型。在當前模型中，船體尾流對螺旋槳的影響簡化為均勻來流的影響，且斜流的影響是通過經驗方法改變有效舵角來計及的。此外，由于螺旋槳側向力可能導致雙槳雙舵船舶左舷和右舷整流效應的不對稱，因此后續(xù)研究中還應考慮操縱運動過程中螺旋槳側向力的影響。由于頻繁的轉舵操作會使船后流場復雜化，因此本文的簡化處理對Z形實驗的影響較回轉實驗更大，后續(xù)可考慮船-槳-舵耦合的CFD計算以提高建模精度。考慮到內河船舶會收到狹窄航道的影響，可以在未來的研究中評估受限水域對螺旋槳-舵水動力性能的影響。

文章來源：留理科研

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