规则货船在规则波中自航机动的数值模拟：基于几何解析螺旋桨模型

《Brain Sciences》：Numerical Simulation of Self-Propelled Container Ship Maneuvering in Regular Waves Using a Geometry-Resolved Propeller Model

　　

船舶在波浪中的操纵性受波扰动来流下船体—舵—螺旋桨耦合相互作用控制。本研究采用非定常雷诺平均纳维—斯托克斯（URANS）方程、流体体积（VOF）方法、动态流固耦合（DFBI）、重叠网格以及几何解析多参考系（MRF）螺旋桨，对KRISO集装箱船（KCS）的自航机动进行模拟。数值方法针对标准敞水螺旋桨数据与KCS之字形及旋回圈数据进行验证。浪向对响应进行再分配而非均匀改变各分量：随浪工况产生最大报告阻力变化（51.99 N），横浪工况产生最大升沉幅值（0.0150 m），艏斜浪与随浪产生几乎相等的纵摇幅值（0.378°与0.376°）。舵角由17.5°增至22.5°使战术直径由11.25 m降至7.14 m（36.5%），但瞬态横摇增长斜率由0.013°/s升至0.035°/s（约2.7倍），而升沉幅值仅变化0.0035 m。这种不等率响应表明：更紧致回转是以不成比例的横摇与推进非定常性为代价获得的，而垂向平动与操舵强度的耦合相对较弱。

研究背景方面，国际海事组织（IMO）的e-navigation战略与自主水面船舶（MASS）发展，使真实海况下船舶操纵性预测需求上升。早期研究建立波中操纵运动理论，后续两时间尺度模型、势流方法、统一六自由度（6-DOF）模型等推进了耐波—操纵统一分析。但实验成本高、工况覆盖有限；MMG与降阶模型常简化推进系统，难以捕捉波扰动来流下船体—舵—螺旋桨强非定常相互作用；即便CFD研究中，螺旋桨也多用体积力或虚拟盘模型。因此研究人员采用URANS、VOF、DFBI、重叠网格与几何解析MRF螺旋桨，研究KCS在规则波中的自航机动，论文发表在《Brain Sciences》。

关键技术方法方面，研究人员采用模型缩尺与弗劳德相似，使用KCS船体配DTMB 4119研究用三叶螺旋桨；湍流用realizable k-ε模型与全Y+壁面处理；螺旋桨用几何解析MRF子域旋转；船体、舵采用重叠网格实现大幅6-DOF运动；边界设波阻尼区吸收反射；通过网格无关性、时间步无关性、敞水性能与KCS之字形及旋回圈试验校验。

研究结果如下。引言部分说明波中操纵性对航行安全重要，既有方法在物理真实与计算成本间存在折衷，故需高保真几何解析推进模型。方法论部分包括控制方程为不可压URANS与VOF；湍流模型为realizable k-ε；螺旋桨数值模型为显式解析叶片与毂、圆柱子域MRF旋转；KCS主尺度与模型缩尺按弗劳德相似；网格含背景网格、船体重叠区、舵重叠区并局部加密自由面与艉部；计算域设速度入口、质量流量出口与波吸收区，波中激活纵荡、升沉与横摇三自由度。验证与确认部分通过粗中细网格GCI分析选约4.24×10⁶单元，时间步选0.01 s；DTMB 4119敞水中K_T均相对误约6.13%、K_Q约5.12%；静水20°/20°之字形首超调角22.75°满足IMO MSC.137(76)不超25°要求；波中首超调与艏摇角速度峰值略低于EFD；静水与顶浪旋回中，几何解析MRF与虚拟盘模型主参数差异多在约10%内，定性趋势一致。结果与分两部分，不同浪向下，随浪β=0°阻力变化最大、纵摇0.376°，艏斜浪β=225°纵摇0.378°、升沉0.0087 m，横浪β=270°升沉0.0150 m、横摇0.463°最大；浪向再分配纵向载荷、纵摇与垂向响应。舵角δ由17.5°到22.5°，advance由9.41 m降至5.67 m、transfer由4.91 m降至2.92 m、战术直径由11.25 m降至7.14 m；横摇增长斜率由0.013°/s到0.035°/s，速度损失与螺旋桨推力波动增强，升沉仅变0.0035 m。

讨论与结论翻译如下。一、浪向在不同响应通道间分配激励：随浪产生最大报告阻力变化51.99 N与纵摇0.376°，艏斜浪纵摇0.378°，横浪阻力变化降至6.27 N、纵摇0.068°但升沉增至0.0150 m；物理上是纵向载荷/纵摇激励与垂向响应再分配，而非性能一致恶化。二、舵角效应强烈非比例：δ由17.5°到22.5°使advance降39.7%、transfer降40.5%、战术直径降36.5%，而横摇增长斜率升约169%；紧致回转以更大横倾代价获得，静水回转指标不能代表波中激进操舵稳定代价。三、同舵角范围升沉仅变0.0035 m，而横摇斜率与速度/推力波动变化大，说明舵输入主要放大横向加速度、回转横倾与桨—舵来流非定常性，升沉仍主要由入射波场控制。四、自由面序列显示机动载荷具路径依赖性：艏摇改变瞬时遇波方向，速度损失改变遇波频率，横摇与推力瞬态反映轨迹、舵令与波相历史；波感知控制应协调操舵与演化遇波条件。综上，浪向决定激励在纵向载荷、纵摇、升沉间分配，舵角决定路径紧致性与横向/横摇—推进瞬态之平衡；几何解析螺旋桨公式使时变推进载荷可与自由航行轨迹及船体运动同步考察。研究限于所模拟规则波幅值、波长、三浪向与舵角范围，报告横摇斜率为有限瞬态区间而非稳态幅值；未做几何解析MRF与虚拟盘模型受控配对比较，故不宣称某推进表示普遍更优。