基于计算流体动力学（CFD）的研究，探讨了在停止操作过程中以及悬停区域附近，VecTwin方向舵、螺旋桨与船体之间的相互作用

《Ocean Engineering》：CFD based study on interaction between VecTwin rudders, propeller and hull during stopping maneuver and around hover region

自治船舶VecTwin舵系统后退模式与悬停区域流体动力特性研究，通过STAR-CCM+ CFD模拟分析舵角与船体压力线性关系，揭示舵- propeller-船体相互作用机制，为自主靠泊提供理论支撑。

　　本研究聚焦于配备VecTwin舵系统的模型船舶在“后退模式”（ASTERN）下的停止操作以及悬停区域（HOVER）中流体动力学特性与舵角之间的线性关系。通过一系列计算流体动力学（CFD）自由航行模拟，利用商业软件STAR-CCM+进行分析，结合网格依赖性研究、稳态与非稳态模拟，旨在深入理解船舶在低速操作时的运动行为及流体动力学机制。该研究不仅对船舶在狭窄水域中的安全操作具有重要意义，也为自动化靠泊技术的发展提供了理论支持。

VecTwin舵系统是一种先进的船舶舵装置，由一对具有反应鳍的鱼尾舵组成，能够显著提升船舶的整体操控性能。其显著特点在于能够实现特殊的操纵模式，例如ASTERN模式和HOVER模式。在ASTERN模式中，船舶的左舷舵角被设定为-105度，右舷舵角设定为105度，形成对称的舵角分布。这种特殊的舵角配置可以有效阻断螺旋桨的流场，从而产生反向推力，使船舶在不反转螺旋桨转速的情况下实现快速停止。与传统的通过反转螺旋桨来实现停止的方式相比，ASTERN模式可以显著缩短船舶的停航距离，提高操作效率。此外，HOVER模式中，舵角被对称地设定为约±75度，使船舶在稳定状态下保持几乎静止的状态，这在动态定位系统中具有重要应用价值。

研究发现，在HOVER模式下，舵角与船舶表面压力之间存在主要的线性关系，这一结论支持了在操纵控制中使用简化线性模型的可行性。同时，通过评估舵系数，研究还揭示了舵角与作用力之间的强相关性，为操纵系统的设计提供了关键数据。此外，研究通过对船舶受力的归一化处理，验证了流体动力学作用力在螺旋桨转速变化时的可扩展性，显示出一致的趋势。在ASTERN模式的分析中，研究发现船舶主要通过舵的阻力实现减速，而舵翼则可能引发不期望的左舷偏航现象。这些发现不仅有助于提升低速操作的安全性，也为实现更加智能化的船舶控制系统提供了理论依据。

由于自由航行实验中对船体、舵和螺旋桨周围流场的直接观测存在较大难度，因此模拟方法，尤其是CFD技术，成为研究这些复杂流体动力学现象的重要工具。近年来，随着计算技术的进步，高精度的CFD模拟已经能够准确再现实验数据，为船舶操纵性能的研究提供了有力支持。例如，Kang等人[2008]使用MMG模型对双舵船舶的转向和蛇形操纵进行了自由航行模拟，但其模型并未考虑特殊的操纵条件，如ASTERN或HOVER模式。Carrica等人[2013]采用重叠网格方法对转向和蛇形操纵进行了建模，并分析了比例效应对偏航角和角速度的影响。Dubbioso等人[2017]则利用CFD研究了双桨船舶在自由航行状态下稳态和瞬态条件下的尾流特性及螺旋桨载荷影响。Ohashi等人[2018]应用动态重叠网格方法模拟了转向运动，并分析了螺旋桨与舵之间的相互作用。Wang和Wan[2020]使用naoe-FOAM-SJTU求解器和动态重叠网格方法，对通过反转螺旋桨实现的停航运动进行了自由航行模拟，研究了浅水和深水环境下的流体动力学特性。Araki等人[2012]采用URANS方法和重叠网格技术对转向和蛇形运动进行了直接计算，为CFD自由航行模拟提供了新的思路。

在研究过程中，本文特别关注了VecTwin舵系统在特殊操纵模式下的流体动力学特性。通过CFD模拟，研究者能够更直观地观察和分析船舶在不同操纵条件下的流场变化，揭示其内部复杂的流体相互作用机制。例如，在ASTERN模式下，船舶的左舷舵和右舷舵以对称的方式旋转，形成一个封闭的流场，从而有效阻断螺旋桨的推进流，产生反向推力。这种机制使得船舶能够在不反转螺旋桨的情况下实现快速停止，对于船舶在狭窄水域或港口中的靠泊操作具有重要意义。然而，这一过程中的流体动力学机制仍需进一步研究，尤其是在高舵角条件下的具体作用机理。此外，研究还发现，在HOVER模式下，舵角与船舶表面压力之间的线性关系是其稳定操作的关键因素，而这一线性关系的存在也为操纵系统的建模和优化提供了理论依据。

为了更准确地模拟船舶在特殊操纵模式下的流体动力学行为，研究采用了重叠网格拓扑结构和动态流体-船体相互作用（DFBI）模型，以捕捉舵的偏转和船体的运动。同时，基于叶片元素法（BEM）的虚拟盘模型被用于模拟螺旋桨的流体动力学特性。这些方法的结合使得研究能够在高精度的基础上，全面分析船舶在不同操纵模式下的流场特性。此外，为了验证CFD模拟的准确性，研究还引用了实验数据作为对比，确保模拟结果能够真实反映实际操作情况。

在实验和模拟的结合下，研究不仅揭示了VecTwin舵系统在ASTERN和HOVER模式下的流体动力学特性，还对船舶在低速操作时的运动行为进行了深入分析。研究发现，在ASTERN模式下，船舶主要通过舵的阻力实现减速，而舵翼则可能引发不期望的左舷偏航。这一发现对于优化船舶操纵策略、提高自动化靠泊的安全性具有重要意义。同时，在HOVER模式下，舵角与作用力之间的线性关系得到了验证，为操纵系统的建模和控制提供了理论支持。

研究还指出，尽管已有部分研究探讨了双舵船舶在不同操纵条件下的流体动力学特性，但针对VecTwin舵系统在高舵角条件下的研究仍较为有限。特别是关于在不反转螺旋桨的情况下实现停航操作的CFD模拟，目前尚缺乏系统性的分析。此外，虽然已有研究关注了舵角与流体动力学特性之间的线性关系，但这些研究大多集中在较小的舵角范围内，未能全面覆盖VecTwin舵系统在ASTERN和HOVER模式下的操作特性。因此，本文的研究不仅填补了这一领域的空白，还为未来船舶操纵系统的开发提供了新的思路。

在实验和模拟的验证过程中，研究者还对模型船的几何形状和相关参数进行了详细分析。模型船为水泥运输船的缩尺模型，配备了VecTwin舵系统。在模拟过程中，研究者对船体的几何结构进行了建模，并通过去除推进器的轴杆和舵杆来简化模型，以便更准确地模拟舵在后退模式下的流场偏转效应。同时，在稳态模拟中，舵杆也被去除，以专注于舵角与船体表面压力之间的关系。这些简化措施有助于提高模拟的精度，同时减少计算复杂度，使研究能够在合理的时间范围内完成。

研究还发现，舵角的变化对船舶的流体动力学特性具有显著影响。在ASTERN模式下，舵的偏转不仅改变了船舶的受力情况，还对螺旋桨的流场产生了干扰，从而影响了船舶的停止性能。通过CFD模拟，研究者能够观察到舵偏转对流场的详细影响，包括流体的分布、速度和压力的变化。这些数据对于理解舵与螺旋桨之间的相互作用至关重要，同时也为优化船舶操纵策略提供了重要依据。

在HOVER模式下，研究进一步探讨了舵角与船舶受力之间的线性关系。通过稳态CFD模拟，研究者分析了不同舵角条件下的船舶受力情况，并发现该线性关系在特定的舵角范围内保持稳定。这一发现不仅支持了现有操纵系统模型的假设，还为未来开发更精确的操纵控制算法提供了理论基础。此外，研究还通过归一化处理，验证了流体动力学作用力在螺旋桨转速变化时的可扩展性，显示出一致的趋势，这表明在不同操作条件下，船舶的流体动力学特性具有一定的规律性，可以用于指导实际工程应用。

研究的另一个重要发现是，在特殊操纵模式下，船舶的流体动力学行为具有一定的非线性特征。例如，在较大的舵角范围内，流体动力学特性可能会出现非线性变化，影响船舶的操纵性能。因此，研究不仅关注线性关系，还对非线性区域进行了探讨，以全面理解船舶在不同操纵条件下的行为。这些发现对于开发更精确的操纵模型和控制算法具有重要意义，特别是在需要高精度控制的低速操作场景中。

综上所述，本文的研究成果对于提升船舶在低速操作下的安全性和操控性具有重要意义。通过CFD模拟，研究者能够深入分析VecTwin舵系统在ASTERN和HOVER模式下的流体动力学特性，揭示其在特殊操纵条件下的作用机制。研究不仅验证了现有操纵系统模型的假设，还为未来开发更先进的船舶控制技术提供了理论支持。此外，研究还强调了实验与模拟相结合的重要性，确保研究结果的准确性和可靠性。这些发现将有助于推动自动化船舶技术的发展，提高船舶在复杂水域中的操作效率和安全性。