船舶操纵性数值的预报粘性流研究

陶峰

摘 要：随着社会经济水平的不断提高和信息时代的不断发展，计算流体力学（CFD）技术应运而生，该技术凭借着自身独有的优势和应用前景，被广泛地应用于船舶操纵性预报领域中，为提高航向能力和船舶操纵性发挥出重要作用。为了进一步提高船舶操纵性数值预报精度，现以KVLCC2标准船模为主要研究对象，严格按照船舶操纵性数值预报粘性流计算相关标准和要求，采用数值模拟的方式，研究了船舶在浅水中斜航运动粘性流场及水动力计算方法。结果表明;船舶操纵性数值的预报粘性流计算方法具有很高的可行性和有效性，为不仅简化了试验流程，还保证了试验结果的准确性和真实性，为进一步提高船舶优化设计水平打下坚实的基础。希望通过这次研究，为相关从业人员提供有效的借鉴和参考。

关键词：船舶;操纵性;数值;预报;粘性流

中图分类号：U661.33 文献标识码：A 文章编号：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装置的方式，对运动速率、运动姿态和运动方向进行科学改变和调整，确保在操纵装置的控制状态下，也能有效地提升船舶的航向能力和惯性，为了确保提高船舶能够可靠、稳定、安全地航行，避免因船舶操纵性过低而引发海难安全事故，如何科学计算船舶操纵性数值预报粘性流是技术人员必须思考和解决的问题。

1 船舶操纵性数值预报粘性流计算

1.1 计算模型及网格划分

本文研究对象以KVLCC2为主，通过构建如图1所示的KVLCC2标准船模[1]，按照如表1所示的实船和模型的相关参数，从以下4个方面入手，完成对网络的科学划分。

1.1.1 计算域确定

通过选取如图2所示的计算区域，将入流边界设置在船首上游处，同时，将出流边界设置在船尾下游处，然后，在船侧位置设置入流边界[2]，在此基础上，根据计算工况相关设计需求，在综合考虑兴波特征的基础上，采用构建计算模型的方式，对该计算区域进行精确计算。

1.1.2 网格划分与生成

计算网格通常可以划分为以下2种类型，一种是结构化网格，另一种是非结构化网格，其中，结构化网格主要是指采用代数计算法，通过对物理区域的划分和描述，并借助偏微分的应用优势，生成相应的网格，这种类型网格主要适用于网格节点设置，采用纵向连接的方式，就可以将网格节点进行有效地连接。此外，结构化网格具有编程简单、内存占用需求小等特征，主要适用于高效算法中。因此，在利用计算流体力学技术的过程中，技术人员优先选用结构化网格。通过利用图形设计软件，根据KVLCC2标准船模使用需求，生成相应的网格。计算对象主要以实船模型为主，这无疑增加了结构化网格的划分难度[3]。但是，由于结构化网格具有计算精度高、时间成本低等特征，因此，在划分网格时，技术人员要优先选用结构化网格，然后，利用相关软件，生成如图3所示的船体网格。

1.1.3 多重网格和区域分解

在利用RANS方程求解船舶操纵性数值时，技术人员要重视对多重网格和区域分解方式的利用，这些方式在具体的运用中，主要借助了线性代数方程，通过构建和设计系数矩阵，以实现对船舶操纵性数值的精确计算和统计，为后期更好地控制船舶的运动方向、运动姿态和运动速度创造良好的条件。其中，多重网格作为一种常用的MG方法，在具体的使用中，需要注意以下2点：①科学控制和调整网格线的粗细程度，避免因网格线过粗而影响船舶操纵性数值最终计算结果准确性;②尽可能提高船舶粘性流的稳定性，避免因船舶粘性流起伏过大而严重影响试验结果的准确性。区域分解作为一种先进技术，在缩短CPU时间成本方面发挥出重要作用，目前，区域分解方法主要由两种类型组成，一种是非均衡区域分解方法，另一种是均衡区域分解方法。其中，非均衡区域分解方法在具体的运用中，主要根据各个区域划分需求，通过利用不同的求解方程，实现对相关结果的精确计算;均衡区域分解方法在具体的运用中，严格按照区域划分相关标准和要求，采用构建同一组方程的方式，实现对复杂几何体计算流程的简化，从而极大地提高相关参数的计算效率和效果。

1.1.4 势流理论方法应用

在对船舶预报粘性流进行计算的过程中，为了保证最终计算结果的准确性，技术人员要重视对势流理论方法的科学应用，该方法在具体的运用中，主要通过计算和统计船舶在流场中速度，以达到解决船舶的势流问题，在此基础上，根据船体速度特征，计算出船体的最终水动力，为后期更好地测量和控制船舶预报粘性流打下坚实的基础。势流理论方法主要由以下3种类型组成：①切分法。切分法主要用于对对复杂三维流动问题的简化处理，通过将其转换为二维流动问题，使得整个计算流程变得更加简单化和高效化，但是，该方法存在一定的弊端，计算结果与实际试验结果之间往往存在很大的误差;②细长体理论法。细长体理论法是在切分法的基础上演变而来的，因此，该方法在技术上和操作上实现很大的突破和创新，该方法在具体的运用中，通过将流场划分为两种类型，一種是远场，另一种是近场，然后，采用逐渐匹配的方式，将三维流动问题转化简单的二维流动问题进行求解，这样一来，不仅降低了求解难度，还提高求解结果的真实性、准确性和完整性，为进一步提高求解效率和效果提供有力的保障。与切分法相比，细长体理论法在使用的过程中，并没有增加过多的计算量，该方法仅仅借助了三维流效应原理，尽可能缩小计算结果与实际试验结果之间的误差，为进一步提高试验结果的准确性打下坚实的基础。因此，细长体理论法被广泛地应用于船舶预报粘性流计算中，从而实现对船舶优化设计水平的全面提高。由此可见，细长体理论法具有非常高的应用价值和应用前景，技术人员要重视对该方法的学习和应用，只有这样，才能促进船舶健康、可持续发展;③三维方法。三维方法在具体的运用中，主要利用船体表面奇点分布特征，对船舶的运动速度、运动方向和运动姿态进行全方位控制和调整，同时，在综合考虑物面边界条件的基础上，针对船体表面奇点的分布特征，精确地计算出最终的扰动速度势。

1.2 数值方法

数值方法主要是指采用直接求解法，借助RANS方程，完成对有限体积的精确计算。同时，还要在综合考虑压力速度的基础上，利用SIMPLE算法[4]，对计算过程中出现的各种参数进行统一设置和调整，如船舶动量、湍流耗散率等参数。这样一来，不仅有利于提高计算结果的真实性、准确性和完整性[5]，为后期更好地计算船舶预报粘性流提供重要的依据和参考。此外，为了充分发挥和利用数值方法的应用优势，技术人员要重视对湍流模式的科学应用。湍流模式作为一种新颖、高效的处理模式，能更及时、有效地处理非对称型的湍流问题。

2 KVLCC2模型斜拖试验

随着计算流体力学技术的不断发展和普及，该技术被广泛地应用于KVLCC2模型斜拖试验中，为了更好地验证该技术的有效性和科学性[6]，现根据KVLCC2模型斜拖试验结果，从以下4个方面入手，对该技术的作用和价值进行有效地验证。

2.1 试验模型

本次试验中选用的船模主要以KVLCC2标准船模为主，通过将其缩尺比设置为90，并根据如表2所示的实船和模型的相关参数，开展相应的斜拖试验，当船模呈现为全束缚状态时，说明船舶运行性能良好。

2.2 试验工况

本次试验工况主要由以下两种情况组成：①试验工况一，该工况将船模运行速度设置为0.38m/实船，同时将7个不同的试验漂角分别设置为-2°、-4°-6°、0°、+2°、+4°、+6°，然后，完成对船模吃水的设计;②试验工况二，该工况将船模运行速度设置为0.84m/实船，同时将7个不同的试验漂角分别设置为-1°、-3°-5°、0°、+1°、+3°、+5°，然后，完成对船模吃水的设计。

2.3 模型试验

本次试验主要是在拖曳水池中开展，因此，该试验被称为“斜拖试验”，斜拖试验如图4所示。从图中可以看出，在进行斜拖试验时，需要将两个相同的传感装置设置在船模上，并保证其距离船模的距离为1m，通过精确地测量和统计船模的所承受的最大力[7]，以确定船模的力矩大小。

为了提高斜拖试验结果的真实性和准确性，技术人员要根据如表3所示的实船和模型的相关参数，完成对模型坐标系的构建，同时，还要将数据采集时间设置为0.02s，然后，针对两种不同试验工况相关信息，完成对船首和船尾波形的科学设计。

2.4 试验结论及分析

在斜拖试验中，通过测量船模的漂角，完成对船模侧向力系数的科学调整和控制，尽管试验结果满足相关标准和要求，但是却存在一定的误差[8]，其原因主要体现在以下3个方面：①在进行斜拖试验时，由于试验仪器存在一定的误差，导致测力装置在转化电信号期间，出现相应的干扰现象，造成最终的试验结果出现一定程度的误差;②船模速度与实际试验结果存在一定的误差;③在进行斜拖试验时，所选用的船模与实际计算尺度之间存在一定的误差[9]。

3 船模在浅水中斜航运动粘性流场及水动力计算

3.1 研究对象

为了更好地观察和检验船舶在浅水情况下所达到的船舶操纵性数值，现以KVLCC2标准船模为研究对象，对船模在浅水状态下的斜航运动粘性流场进行模拟和计算，并根据最终计算的水动力完成对船舶运动速率、运动方向的有效控制和调整，为提高船舶优化设计水平打下坚实的基础。

3.2 边界条件确定

通常情况下，船舶流体在流动的过程中，通常受到边界条件的限制，为了保证船舶流体的自由性和灵活性，技术人员要利用数学模型，实现对边界条件的科学控制和调整。边界条件主要是指流场在边界上必须要符合数学约束条件，从而得出特点问题的特定解，为后期更好地计算船舶预报粘性流发挥出重要作用。本次试验中，所设置的边界条件主要有以下4种：①进流边界条件，该边界条件主要是指通过采用速度进口设置的方式，完成对船舶运动速度和方向的控制和调整。该边界条件作为船舶流体的主要入口，可以实现对船体外部流动趋势的有效控制，这种边界条件又被称为“人工虚拟边界”，在应用该边界条件的过程中，技术人员要根据距壁面的外部特征，在保证物理数值解的准确性的基础上，科学设置入口速度和条件;②出流边界条件，该边界条件主要是指通过尽可能满足船舶远场环境中的运动需求，实现对远场边界条件的设置。出流边界条件作为船舶流体的重要出口，需要借助虚拟边界条件，实现对船舶外部流动趋势的有效调整和控制，一旦船舶流动区域不符合相关标准和要求时，技术人员要重新测量和确定流场的变量值，在此基础上，借助湍流运输方程，实现对出流本次试验的有效设置和利用，为进一步提高船舶航行稳定性、可靠性和安全性产生积极的影响;③物面边界条件，该边界条件主要是指船舶要满足船体表面粗糙无滑动条件。为了进一步提高船舶的粘性流动效率和效果，技术人员要利用湍流运输方程，对船舶物面边界条件进行设置和利用，从而实现对局部雷诺数值的全方位控制和调整，为最大限度地提高船舶航行的稳定性、可靠性和安全性，促进船舶的创新、长远发展发挥出重要作用;④对称边界条件，该边界条件主要是指确保船舶自由面符合对称相关标准和要求。为了充分发挥和利用对称边界条件的应用优势，技术人员要将自由面设置为刚壁面，确保所获得的流动结果与实际试验结果相吻合，避免因两者之间误差过大而影响船舶预报粘性流结果的准确性和真实性。

3.3 计算流体力学方法应用

为了提高船舶预报粘性流计算结果的准确性和真实性，技术人员在本次试验中，要重视对计算流体力学方法的科学应用，通过利用该方法，实现对船舶操纵性数值的精确计算，为后期更好解决和处理船舶操纵性问题，实现对船舶预报粘性流的科学控制和调整提供重要的依据和参考，只有这样，才能保证船舶航行的稳定性、可靠性和安全性，以达到保护海洋环境的目的[10]。

3.4 试验结论分析与探讨

通过开展本次试验，得出以下试验结论：①船舶的横向水动力系数容易受水深的影响，随着水深的增强，船舶的水动力呈现出不断上升的趋势，由此可见，水深与船舶的水动力之间存在着正相关关系;②当船舶水动力增加到一定程度时，船舶会出现纵滑现象或者升沉现象;③在浅水情况下，为了保证船舶操纵性水动力计算结果的准确性，要将船体的运动姿态、运动速度和运动方向纳入到本次计算流程中，以提高船舶水动力计算结果的准确性。

4 结语

综上所述，计算流体力学技术凭借着自身安全可靠、成本低、周期短、信息量庞大等特征，逐渐成为了船舶优化设计的重要技术手段，通过将其应用于船舶操纵性数值的预报粘性流计算中，不仅有效地提高了船舶操纵性数值的精确性和真实性，还为后期更好地控制和调整船舶的运动速率、运动姿态和运动方向提供重要的依据和参考。因此，技术人员要与时俱进，不断学习计算流体力学相关新知识和新技术，进一步提高自身的专业能力和职业素养，为精确地计算和统计船舶操纵性运动水动力，提高船舶优化设计水平贡献自己的一份力量。

参考文献

[1]徐俊荣.大型金枪鱼船回转运动粘性流场及水动力数值研究[D].舟山：浙江海洋大学，2020（08）：227-228.

[2]王小龙.浅水中低速小半径回转船舶水动力数值研究[D].上海：上海交通大学，2020（08）：227-228..

[3]伍海华.浅水域大漂角斜航运动船舶水动力数值预报[D].上海：上海交通大学，2019（01）：234-235.

[4]李志鹏.冰区船舶回轉运动计算方法及数值模拟研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019（019）：159-161.

[5]陈进.低速域船舶操纵运动粘性流场及水动力数值研究[D].上海：上海交通大学，2020（8）：4528.

[6]万林，石宁权，杨波，等.船舶操纵性数值预报粘性流方法[C].船舶航泊安全的新经验新技术论文集（下册）.中国航海学会，2020（04）：72-74.

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

[8]秦元弟.粘接技术在机械和船舶修理上的应用[J].江苏船舶，2020，33（5）：12-13.

[9]徐俊荣. 大型金枪鱼船回转运动粘性流场及水动力数值研究[D].舟山：浙江海洋大学，2019.

[10]伍海华. 浅水域大漂角斜航运动船舶水动力数值预报[D].上海：上海交通大学，2019.