基于CFD船舶进入运河时下沉量和阻力的数值研究外文翻译资料

 2022-08-29 23:29:00

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基于CFD船舶进入运河时下沉量和阻力的数值研究

摘要：船舶接近浅水时，由于船底和海底之间的水动力相互作用，从而产生许多的变化。船底与海底之间的流速增大，使得船舶下沉、纵倾和阻力增加。船舶前进时，可能会出现船舶下坐现象，随之而来的就是下沉量和纵倾的增加。当航行船舶通过浅水区域时，例如河流、海峡和海港，掌握船舶下沉知识显得尤为必要。因此准确预测船舶下沉量对减少船舶搁浅的危险而言，是至关重要的。同样，为了能够计算出船舶的动力需求，预测船舶在浅水中的阻力也同等重要。本研究的主要目的是进行完全非线性不定常RANS模拟以预测DTC集装箱船通过运河时的下沉量与阻力。它在多种船速，不同船舶吃水的情况下，利用基于CFD的商用软件进行计算。通过CFD获得的下沉量在之后会与有效的实验数据进行比对。

关键词：船舶流体性能计算 船舶下沉量 浅水 不定常RANS CFD

缩略语表：

b—船宽(m)；B—航道宽度(m)；C—阻力系数；CB—方型系数；CFD—计算流体动力学；CFL—库朗数；COG—重心；DFBI—6自由度模型；DTC—杜伊斯堡测试案例；DWT—载重量；e—相对误差；EFD—实验流体力学；Fnh—深度傅汝德数；g—重力加速度(m/s2)；GCI—网格收敛指数；h—水深；ITTC—国际船模实验池会议；KCS—韩国船舶与海洋工程研究所的集装箱船；LBP—船长(m)；P—细化率；R—收敛比；阻力(N)；RANS—奈维-斯托克斯方程；RE—Richardson外推法；S—阻塞系数；S—湿面积(m2)；T—船舶吃水(m)；TEU—20英尺等量单位；U—流速；V—船速(节)；VOF—流体体积函数；t—网格单元尺寸(m)；—解之间的差；—密度(kg/m2)；—解。

1介绍

船舶接近浅水时，由于船底和海底之间的水动力相互作用，从而产生许多的变化。船底与海底之间的流速增大，产生了关于横轴上垂直向下的力和力矩。这导致船舶下沉、纵倾和阻力增加。船舶前进时，可能会出现船舶下坐现象，随之而来的就是下沉量和纵倾的增加。

有三个重要参数控制着船舶下沉量，即船速、方型系数和阻塞系数。船速和船舶下沉量之间有着平方的关系。换句话说，船舶下沉量的大小近似与船速的平方成比例。据报道，当船速大于六节时，通常就会出现下沉。方型系数是另外一个直接影响下沉的重要参数。肥大型船舶下沉量一般要比细长型船舶大。例如：油船下沉量就比细长型船舶如客船的大。阻塞系数是另外一个影响船舶下沉量的重要因素。这个术语被定义为船中的水下横截面积与运河或河流的横截面积之比。如图一所示，S可以用公式（1）表示：

其中，b为船宽，T是船舶龙骨静态吃水，B是河流或运河的宽度，h为水深。

图一

近年来，船舶尺寸在快速增长，越来越多的大型船只（像集装箱船和油轮）在全球范围内营运。由于这一增长，这些大型船舶在受限水域的流体力学就牵涉着重大利益。同样的，Barrass和Derertt声称在过去的40年里，因船舶规模的持续发展和营运速度的持续增加，船舶下沉量的问题已经日益引起人类的关注。例如，如今，350000吨以上的超级油轮越来越普遍。当这些超级油轮进入港口或者通过海峡或运河时，它们只有1到1.5米得相对较小的富裕水深。此外，就像所提到的，集装箱船的速度在近几年里，是从16稳定增长为25节，这样会增加下沉量，也因此增大了搁浅的风险。

当航行船舶经过浅水区域，像河流、海峡和港湾时，掌握船舶下沉知识显得尤为必要。因此，为了减少船舶搁浅的危险，准确预测船舶下沉量就非常重要了。Barrass和Derertt指出，因巨大下沉量和其他原因，最近已经报道有超过117艘船舶搁浅。

同样的，为了能够计算船舶的动力需求，预测船舶在浅水中的阻力也一样重要。据所示，当船舶进入浅水区域时，可能观察到船速的下降。如果它航行在开阔水域，这种下降可能到达30%.如果船舶经过的是受限航道像河流或运河，这种下降就可能提高到60%。应该注意的是，这种速度的减少不仅仅是因为阻力的增加，也因为船舶进入浅水区域时，操纵性能上的变化。

文献提供了预测船舶在浅水的下沉量和阻力的不同方法。这些方法包括经验或分析研究和实验。分析方法主要利用了势流理论的假设，假设船舶时细长体。在应用经验公式之前，要去满足一些限制和条件。此外，进行拖曳水池实验可能会花费很多金钱和时间。从另一方面说，CFD技术结合水流和自由液面的粘性和非线性效应能够容易地预测船舶在浅水中的纵倾、下沉和阻力。

本研究的主要目的是进行完全非线性不定常RANS模拟以预测DTC集装箱船通过运河时的下沉量与阻力。该模型在静水条件下自由纵倾和下沉。它在多种船速，不同船舶吃水的情况下，利用基于CFD的商用软件进行计算。在每一次运行中，船舶重心下沉时间历程和船舶所受摩擦及压力阻力的时间历程都会被记录。通过CFD获得的下沉结果在之后会与Uliczka的实验研究进行比对。在本研究中，使用的基于CFD商用软件是由CD-Adapco所开发的Star-CCM 9.0.2版本。此外，还使用了来自凯特莱德大学，可以进行更快和更复杂模拟的超级计算机设备。

本文是按以下方式组织：章节2中会给出关于船舶在浅水区域下沉和阻力的简单文献综述和讨论来自文献中有效的技术。接着，章节3会给出主要船舶性能和结合运河尺度来介绍运河横截面。之后，章节4详细介绍一系列应用水流CFD模型的模拟案例。然后，章节5会解释CFD模型的数值计算，并在小节中提供细节部分。接下来，这次研究的所有结果包括必要的验证研究会在章节6中被证明和讨论。最后，章节7会简单总结本次研究所得出的主要结果和为未来的研究工作提出建议。

2背景

Havelock对他所展示的由一个单一点源形成的波形进行了浅水研究。他的研究引入了傅汝德数，在浅水验证波形时考虑了船速和水深。它按以下被定义为：

其中，V为船速，g为重力加速度，h为水深。

著名的KELVIN波形是在傅汝德数小于0.57时产生的。随着傅汝德数的增加，横向波长度将增加。当傅汝德数接近1时，在给定水深的情况下船舶速度等于最大波传播速度。这个速度经常被称为临界速度。如果傅汝德数超过1，船舶就被认为是在超临界速度下运行，而如果傅汝德数小于1，船舶则被认为是在亚临界速度下运行。

许多的研究者已经研究了船舶在浅水中的下沉量和阻力。正如Varyani所说的，在船舶流体力学特定领域的研究是从Kreitener开始。他预测下沉量时采用了一维流体力学理论。之后，Constantine对沿着运河浮动的物体的运动进行了研究。他研究的目的是通过建立理论模型来解释三个流态（亚临界，临界和超临界）和下沉量的产生之间的关系。从他的研究中知道，航道的宽度如果受限，则在一定傅汝德数范围内，对水动力产生剧烈影响。在这之后，Tuck利用匹配渐近展开法发展了细长体理论，从而在等深和水平的浅水范围内处理船舶水动力问题。他导出了在亚临界速度和超临界速度下波浪阻力和垂直力的预测公式并且利用垂直力去获得船舶下沉量和纵倾。然后，他发现了他的计算结果与船舶模型试验一致。Tuck理论的唯一缺点是当船舶在浅水中的速度接近波速时，由于公式变得奇异而使得理论不成立。从他的研究中可以得出在亚临界速度范围内，下沉量是非常突出的，而在超临界速度范围内时，纵倾就成为主要因素。之后，Tuck结合宽度受限的运河的影响，发展了他之前的理论。通过扩展Tuck的探究工作，Becket等人研究了船舶在疏浚航道中的纵向运动。通过求解边值问题，他们在一系列傅汝德数下，计算出船舶在疏浚航道的纵倾、下沉和波浪阻力。他们的研究利用了航道任意一边的竖向阶跃来探究了被浅层区域包围的疏浚航道的几何形状并且发现外部浅水区对船舶在狭窄航道的纵倾、下沉和波浪阻力有着相当大的影响作用。他们也清楚表明随着航道宽度的减少，波浪阻力增加。但值得注意的是，他们的计算结果并未被任何实验数据证明。最近，Yasukawa结合纵倾和下沉的影响，提出了一种Rankine源面方法以计算船舶稳定的兴波阻力。他在Wigley船舶模型上应用了此种理论并发现所获得的结果与有效的实验结果高度一致。之后，Jiang通过使用Boussinesqtype浅水方程从数值上研究了船舶在3种不同速度区域航行时产生的波浪。他反复利用Grank-Nicholson时间和空间的离散方法去解决无限差分公式系统。他的理论假设了船舶是细长体并使用匹配渐近展开法近似地估算了流场。Jiang用系列60（方型系数为0.594）的船舶以计算并预测它的阻力、下沉和纵倾。他后来将他的计算结果与模型试验的结果进行比对，发现了计算和试验数据高度一致。之后，Gourlay为线性细长体理论编写了关于计算船舶在浅水区域下沉量的评论。他提出了一个普遍适用的傅里叶方法以预测船舶通过开阔浅水域、矩形运河、疏浚水道、阶梯式运河或者任意横截面的运河时的下沉量。在他的论文中，他只关注在亚临界流态下的案例，而且他认为这种亚临界流态对于海员来说也是最重要的流态。接着，基于线性细长体理论，Gourlay发展了一种用来预测快速位移双体船在通过广阔浅水区域时下沉量和纵倾的计算方法。这种方法适用于三种流态。同时他还证明了在双体船片体纵倾与下沉之间中心线间距的影响。他声称他所发展的理论能对预测任何快速位移双体船模型的最大下沉量产生指导。不过，他的研究都未被任何实验数据所证明。之后，Alderf等人利用有限元方法建立了动态下沉量数值模拟方法。他们的模型坚固耐用，不管通过任何形状海底的高度受限运河，都能对船舶的动态反应给予结果。他们也研究了海底拓扑结构对船舶临界速度的影响。接着，Yao和Zou利用了一阶三维面板法，对预测船舶通过浅水的下沉量和纵倾进行数值研究。他们将船体表面、自由液面和航道水面都离散成面，并在上面分布等强度的Rankine源。在他们的理论中，自由液面使用了非线性边界条件。通过将水动力压力都集中在湿船体来计算垂直力和纵摇力矩并从动态平衡中获得下沉量和纵倾。他们使用了系列60（方型系数为0.60）并在受限航道航行的船舶模型进行计算。他们的数值结果包括在亚临界和超临界速度下的下沉、纵倾、兴波阻力以及波形都被发现与实验数据一致。最后，Alidadi和Calisa进行了预测Wigley船体的下沉和纵倾的数值研究。他们利用细长体方法，发展出二维边界元法并使用了欧拉拉格朗日方法来计算自由液面水流。他们也引入了对比研究，将波浪的外形、涉及的船舶的阻力结果与拖曳水池实验进行比较，结果发现在不同船速下，数值结果和试验都一致。从以上的文献综述所知，用来计算船舶在浅水下沉量的理论都普遍使用了用于计算船舶周围水流的线性理论。这可能是一种合理的途径，因为大多数的方法都是基于细长体假想。Gourlay指出，尽管非线性对细长船舶的下沉和纵倾并没有主要的影响，但它对于大型船舶而言，像集装箱船和散装货船，是越来越重要的。因此，本研究选择集装箱船作为一个真实案例来研究。与势流理论相反，只有很少的研究会使用CFD模型来预测船舶进入浅水区域时的纵倾、下沉和阻力。Jachowski利用商用RANS的求解器——Fluent，进行了一项评估船舶在浅水下沉量的研究。他使用KCS比例模型来计算在不同船速下的几个水深的下沉量，然后，将CFD结果与使用经验公式计算而得的结果进行比对。他的比对发现经验方法和模拟结果高度一致。Prakash和Chandra也使用Fluent研究不同速度下受限水域对船舶阻力的影响。他们得出一个结论，CFD技术能成功预测船舶在浅水下的阻力和自由液面的波形。之后，Wortley使用了基于CFD的RANS求解器——OpenFOAM，研究DTC集装箱船模型的下沉量和阻力。他同样将他的CFD结果与实验结果进行比对，发现OpenFOAM对阻力估值过高，特别是波浪阻力，这是因为域中使用了粗网格。他注意到通过CFD获得的船舶模型在运河中的下沉量和纵倾结果要比实验结果大得多。有些学者认为为了使结果与实验更加相近，他应改进和反思他的数值设置。最后，Wortley等人探究出波浪系统对在浅水中的双体船的干扰作用。他们把CFDShip-lowa作为RANS求解器，计算DELFT双体船在两个分开距离和不同水深下的阻力和干扰因素。

本文描述了如何使用CFD软件来计算船舶通过运河时的下沉量和阻力。本研究的主要目的是为了比文献中现有方法更加准确地预测船舶下沉量。而另外一个目的是在不同吃水与速度的组合下获得船舶摩擦和压力阻力系数。

3船舶几何形状和运河横截面

杜伊斯堡测试案例是由杜伊斯堡的船舶技术研究所、海洋工程和运输系统所研究所研究的一艘典型的14000吨集装箱船。适用于比对验证的实验和模拟数据非常多。同时，它的三维船壳形状以及附属物都能在公共领域便利找到。而且在2013年的9月份，杜伊斯堡埃森大学、联邦航道工程研究院和德国劳埃德船级社联合举办了一场有关船舶在浅水或受限水域的下沉量数值预测的研讨会。这场研讨会的目的是通过与有效的实验数据进行比对，然后对预测船舶下沉量的数值方法的效率进行评估。因为能容易地获得DTC集装箱船的几何数据以及数值和试验结果，因此DTC集装箱船作为一个案例研究而被使用于此项工作。

适用的模型附加了舵和推进器，并与DTC集装箱船成1:40的比例，被优先使用在Uliczka拖曳水池实验。全尺寸和模型尺寸的船体性能都在表一中展示。图二展示了所涉及船舶的船体剖面。图三显示了船舶的三维视图。船体附加的推进器是逆时针旋转的四叶螺旋桨，并且是固定桨距的瓦赫宁根B系列。关于螺旋桨和舵的几何形状信息，可以参考24-25.因为自力推进的CFD模拟会大幅增加运行时间，所以在本研究中，用船舶模型被在运河中被拖航的方式代替。

图二

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