日本散货船阻力与推进特性的尺度效应数值模拟研究

为解决船舶阻力与推进特性在模型与实船尺度间的差异问题，研究人员采用RANS方程与SST k?ω湍流模型，通过虚拟流体法实现Froude和Reynolds相似性，系统分析了JBC船在4种尺度下的阻力与自航特性。研究发现尺度效应对名义伴流积分值、轴向速度径向分布及推进效率影响显著，为船舶设计优化提供了高精度数值模拟方法。

　　

在船舶工程领域，模型试验与实船性能的尺度效应一直是困扰研究者的难题。传统方法依赖实验流体动力学(EFD)和ITTC 1978外推法，但无法同时满足Froude数和Reynolds数相似性，导致边界层厚度、伴流场等关键参数在模型与实船间存在显著差异。近年来，随着计算流体动力学(CFD)技术的发展，克罗地亚科学基金会资助的研究团队对日本散货船(JBC)开展了突破性研究。

研究采用STAR-CCM+软件，基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k?ω湍流模型，创新性地运用体积力螺旋桨法和虚拟流体技术。通过系统比较λ=40.264模型尺度至实船尺度共4种比例，以及11-16节航速范围内的阻力试验(RT)与自航试验(SPT)数据，结合验证与确认(V&V)流程确保结果可靠性。

几何建模
研究选取NMRI公开的JBC船体与舵几何模型，参照Degiuli等(2023)的试验数据建立三维数值模型，主尺度参数详见表1。

数学模型
控制方程采用不可压缩RANS方程，通过SST k?ω模型封闭求解。螺旋桨旋转效应采用体积力法模拟，虚拟流体法通过调整流体粘度实现双重相似准则。

验证研究
对总阻力R_T、推力T、扭矩Q和转速n进行网格收敛分析。表3-4显示虚拟流体与实船尺度的网格尺寸和时间步长具有可比性，数值不确定度控制在合理范围。

关键发现

1. 尺度效应对名义伴流积分值影响达12.7%，轴向速度径向分布差异显著；
2. 伴流分数与船体效率存在明显尺度效应，而推力减额分数和准推进效率差异<3%；
3. 虚拟流体法与实船结果的偏差在数值不确定度范围内，验证了该方法的可靠性；
4. 边界层厚度差异导致模型尺度伴流场速度降比实船高18.5%。

这项发表于《Ocean Engineering》的研究，首次系统揭示了JBC船在多尺度下的流场演变规律。研究证实CFD可替代传统外推法，为船舶能效优化提供了新工具。未来工作将扩展至波浪中航行工况，并探索机器学习辅助的尺度效应修正方法。作者团队特别致谢萨格勒布大学计算中心提供的高性能计算支持。