船舶漂角与舵角对阻力的影响：基于数值平面运动机构方法的流体动力学研究

为应对海事领域零碳排放目标，研究人员采用CFD模拟结合实验数据，系统研究了漂角(leeway angle)和舵角(rudder angle)对船舶阻力的耦合影响。研究发现10°漂角与20°舵角组合会使11节航速下总阻力增加100%，揭示了WAPS应用中流体力学行为的关键规律，为优化风能辅助推进系统(WAPS)设计提供了重要依据。

　　

随着国际海事组织(IMO)日益严格的碳排放法规实施，风能辅助推进系统(Wind-Assisted Propulsion Systems, WAPS)成为实现零碳航运的重要技术路径。然而，WAPS在提供推进力的同时会产生侧向力，导致船舶产生漂角(leeway angle)并需要舵角(rudder angle)调整航向，这种耦合作用会显著增加船舶阻力。当前研究对漂角与舵角协同作用的流体力学机制认识不足，特别是对波浪阻力系数(C_W)的影响缺乏定量分析，制约着WAPS的能效优化。

为突破这一瓶颈，南安普顿大学联合行业伙伴采用计算流体力学(CFD)与实验流体力学(EFD)相结合的方法，创新性地运用数值平面运动机构(Dynamic Fluid Body Interaction, DFBI)模型，在Star-CCM+软件中模拟了KCS船模在不同漂角(0°-10°)和舵角(±20°)组合下的流体动力学行为。研究通过138米拖曳水池实验验证了CFD模型可靠性，并首次将全尺度海试数据纳入验证体系。关键技术包括：1)采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和VOF多相流模型；2)建立1:32缩尺比船模的overset网格系统；3)基于ITTC-1957方法进行尺度效应换算；4)通过网格收敛指数(GCI)验证数值不确定性控制在6.9%以内。

4.1 船舶阻力特性
研究发现漂角对阻力的影响呈现非线性特征：在Fr=0.194时，5°漂角使纵向阻力增加9.3%，而10°漂角导致剧增46.8%。舵角单独作用时，20°舵角在零漂角下仅增加5%阻力，但结合10°漂角时，总阻力增幅达100%。这表明WAPS应用中需将漂角控制在5°以内以限制阻力增长。

4.2 波浪阻力机制
通过自由面形态分析发现，漂角会破坏波浪场的对称性，10°漂角使C_W从基准值0.857×10^-3升至3.430×10^-3。值得注意的是，正向漂角配合反向舵角(如+10°/-20°)比同向组合(+10°/+20°)减少21%波浪阻力，这为航向控制策略优化提供了新思路。

4.3 侧向力与偏航力矩
侧向力系数(Y')在10°漂角时达到1.90×10^-3，相当于基准阻力的190%。偏航力矩分析显示，舵效应对高速工况(Fr=0.246)更为敏感，同等情况下的控制力矩比低速工况(Fr=0.194)高58%。

这项发表在《Ocean Engineering》的研究首次量化了WAPS应用中漂角-舵角-阻力三者的耦合关系，揭示了"阻力临界点"现象：当漂角超过7.5°时，任何舵角调整都将导致阻力呈指数增长。研究提出的"反向舵补偿法"可将10°漂角下的阻力增幅从100%降低至33%，为WAPS的实船操作提供了重要指导。通过将CFD、EFD和全尺度数据三重验证相结合，该研究建立了风能船舶流体力学分析的新范式，对实现IMO 2050减排目标具有重要实践意义。