基于数值计算的跨水域环境下DP船舶水动力特性分析与运动仿真

针对动态定位(DP)船舶在近岸狭窄水域与开阔水域过渡航行时水动力特性变化的问题，本研究通过惯性水动力学(零频附加质量系数)和粘性水动力学(泰勒级数展开模型)两种分析方法，结合3自由度(3-DOF)运动仿真与约束模型拖曳试验，揭示了近岸回流效应和地形变化导致的水动力非线性特征，为复杂水域推力分配和运动控制设计提供了关键理论支撑。

　　

随着海洋资源开发向近岸及内河延伸，船舶在狭窄-开阔水域过渡航行时的动态定位(DP)系统面临严峻挑战。当船舶从港口附近的狭窄水域驶向开阔海域时，岸壁回流效应与水深变化会显著改变其水动力特性，传统独立水域的研究方法难以准确预测这种动态变化。现有研究多局限于单一粘性流或势流理论，且缺乏对过渡水域整体水动力与运动特性的系统分析。为此，来自中国的研究团队在《Ocean Engineering》发表的最新研究，通过创新性融合数值计算与实验验证，首次全面解析了跨水域环境对DP船舶水动力与运动特性的影响规律。

研究采用计算流体力学(CFD)与约束模型拖曳试验相结合的技术路线。通过频域数值模拟获取惯性水动力系数(零频附加质量系数)，时域仿真与拖曳试验则用于验证粘性水动力系数(基于泰勒级数展开模型)。研究建立了3自由度(3-DOF)运动数学模型，涵盖纵荡、横荡和艏摇运动，并通过North-East-Down(NED)坐标系与船体固定坐标系进行运动学描述。

Kinematic model
研究构建的数学模型显示，近岸水域船舶承受的水动力载荷可达开阔水域的2-3倍。通过最小二乘法拟合多组拖曳试验数据，发现浅水近岸区域的非线性水动力阻力主要源于船体-岸壁边界间的非定常流动相互作用，这种效应会导致压力场脉动并显著改变流场速度分布。

Numerical simulation
数值实验截取后40%数据作为有效值进行加权平均，验证了方法的可靠性。特别值得注意的是，当船舶龙骨间隙极小时，自由液面建模对结果准确性具有决定性影响，这与Van Hoydonck等学者的发现一致。

Viscous hydrodynamic force coefficient calculation results
粘性水动力系数计算揭示：中等水深条件下水动力效应开始显现，而在浅水区成为主导因素。通过对比KVLCC2油轮与内河船舶数据，证实船型对岸壁效应敏感度存在显著差异，其中钝型船首受回流效应影响更剧烈。

Conclusion
研究结论表明，过渡水域航行时需重点考虑三个关键现象：一是岸壁诱导的回流效应会使低速船舶承受异常高压；二是水深变化导致附加质量系数发生阶跃式改变；三是浅水近岸区存在独特的非线性阻力机制。这些发现为DP系统推力分配算法优化提供了量化依据。

Limitations of research and future recommendations
作者指出当前研究对水域环境的划分仍较粗略，未来需建立更精细的环境梯度模型。此外，在强回流条件下获取的水动力系数精度仍有提升空间，建议结合雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程与自由液面耦合建模进行深入探索。

该研究的创新性体现在：首次提出融合势流与粘流理论的跨水域分析方法；通过拖曳试验与数值结果的交叉验证建立了高可靠性数据集；阐明了不同水域条件下船舶运动规律与流场相互作用机制。这些成果不仅对提升DP船舶在复杂水域的操纵安全性具有直接指导价值，也为港口设计、航道规划等海洋工程实践提供了重要理论工具。