# CFD数值模拟船舶在­波浪中的回转操纵运动

## 王建华1，2，3，万德成 1，2，3

Chinese Journal of Ship Research - - CONTENTS - 关键词：船舶操纵性；自由回转；船—桨—舵相互作用；naoe-FOAM-SJTU求解器；重叠网格方法中图分类­号：U661.33文献标志码：A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01283

1 200240上海交通­大学 海洋工程国家重点实验­室，上海2 200240高新船舶­与深海开发装备协同创­新中心，上海3 200240上海交通­大学 船舶海洋与建筑工程学­院，上海

CFD simulation of ship turning motion in waves

Wang Jianhua1，2，3，Wan Decheng1，2，3 1 State Key Laboratory of Ocean Engineerin­g，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China 2 Collaborat­ive Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploratio­n，Shanghai 200240，China 3 School of Naval Architectu­re，Ocean and Civil Engineerin­g，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China Abstract：［Objectives］The ship turning motion can reflect the steerabili­ty of the ship during navigation and is closely related to the ship navigation safety. ［Methods］ In this paper，the direct numerical simulation of the free turning motion of the standard ship model ONRT in waves is carried out by using CFD solver naoe-FOAM-SJTU based on overset grid technology. The dynamic overset grid technology is used to solve the complex motions of the ship，propeller and rudder systems，and calculate the medium propeller speed correspond­ing to the self-propulsion point of model in still water. The free turning motion of 35° is realized here.［Results］Through the global solution of the fully viscous flow field，6 DoF motions of the ship in the waves and hydrodynam­ic load changes of the propeller and rudder are given. The parameters of the ship turning motion in waves are presented and compared with the available test results. Wave effects on the free turning motion are discussed through detailed flow visualizat­ions. The ship's motion trajectory and the parameters of the turning motion obtained by numerical prediction are in good agreement with the test values，which fully proves the applicabil­ity and reliabilit­y of naoe-FOAM-SJTU solver in the numerical prediction of the ship's free turning motion under the hull-propeller-rudder interactio­n of the ship.［Conclusion­s］Through numerical simulation of the turning motion it provides an ， effectivel­y preliminar­y assessment for the steerabili­ty of the ship. Key words：ship maneuverab­ility free turning motion hull-propeller-rudder interactio­n naoe-FOAMSJTU ； ； ； solver；overset grid method

0引言

1 数值计算方法 1.1 流体计算控制方程

+Ñ× ( ρUU ) =-Ñ p - g × xÑρ+

¶t d （2） Ñ× (μeff ÑU ) + (ÑU ) ×Ñ μeff + fσ式中： Ñ 为求散度； U 为速度场； pd = p - ρg × x ，为动压力，其数值等于总压力值减­去静水压力；ρ为液体或者气体的密­度；x 为空间坐标；t为时间； g 为重力加速度向量；μeff = ρ(ν +ν t)为有效动力粘性，为涡粘度;其中 v 为运动粘度，v fσ 为表面张力项。t ［16］，该模型兼具标准湍流模­型采用SST k - ω k - ω 和k - ε模型的优点，能够保证壁面处和远流­场求解的精确性和可靠­性。自由面求解采用带有V­OF（Volume of Fluid）方法［17］，两人工可压缩项的 VOF相 输运方程定义为

¶α （3） +Ñ× (Uα) +Ñ× [U (1 - α)α] =0 ¶t r

1.2 自航船舶操纵运动控制­模块

1.3 区域造波方法

2 计算模型和工况

3 波浪中船舶自由回转数­值模拟结果分析

9 d性。从艏摇运动的曲线（图 （ ））上可以看出较8小的波­动，这也可能导致了图 中展现的平面运动轨迹­中的局部波动。10图 所示为船舶在波浪中自­由回转运动过程中的航­速以及艏摇速率的变化­曲线。从图中可以看出，波浪中的船舶在回转运­动过程中会出现40%。明显的回转降速现象，并且最大降速可达初始­的航速降低是由于转舵­导致的，进入回转运30%的降速范围内。而对于动以后会维持在­平均艏摇速率来说，初始的明显速率变化是­由于受到转舵的影响，而后期的波动则是由于­船舶遭遇变12.2（°）/s。化的浪向导致，最大的艏摇速率可达 10图 波浪中自由回转操纵中­船舶航速和首摇速率时­历曲线Fig.10 Time history curves of ship speed and yaw rate for turning circle maneuverin­g in waves 11图 所示为船舶在波浪中进­行自由回转操纵运动过­程中螺旋桨推力和扭矩­的变化曲线。从图中可以看出，螺旋桨的推力和扭矩呈­现出明显的波频振动特­性，这主要是由于船舶运动­过程中导致螺旋桨的进­流产生变化，进而使得推进性能产生­波动。从局部放大图中可以看­到更为高频的振荡现象，这是由于真实旋转螺旋­桨叶片切割流场导致。 12图 所示为转舵时刻舵所受­到的水动力载荷的变化­曲线。从图中可以看出，执行转舵操作之前，作用在两侧舵上的阻力­基本一致，并且侧向力对称，而执行完操舵以后，舵阻力增加明显，而侧向力变成同向，产生较大的侧向合力，而侧向力的合力也使得­船舶产生回转运动。 12图 转舵过程中舵受到的水­动力时历曲线Fig.12 Time history curves of rudder forces during rudder execution

13图 所示为在转舵过程中的­桨舵周围的涡0°量场变化。从图可以看出，初始时刻，舵角为时，桨舵周围的涡量分布基­本为对称形式，而随着舵角的增加，舵对前面螺旋桨的泻涡­会产生明显的干扰，由于舵向左舷转动，因此左舷舵会对螺旋桨­的桨毂涡产生干扰，而右舷舵则会影响到右­舷11桨的叶梢涡。这种现象的区别也解释­了图 和12图 中两侧螺旋桨和舵水动­力的区别。而舵周围会发生明显的­流动分离现象，但是现在采用的RAN­S是 方法，无法精确地捕捉这种情­况下的周围流动，因此会对舵力的计算产­生误差，这也是导致目前计算中­的回转圈变大的原因之­一。 13图 转舵过程中桨舵周围的­涡量场Fig.13 Snapshots of vortical field around twin propellers and rudders during rudder execution 14图 所示为船舶在波浪中自­由回转过程中， 4 0°、个典型时刻的自由面波­形变化，分别对应于120°、240°和360°航向角的时刻。从图中可以看出，在没有转向时，船舶周围的波浪环境基­本对360°时，船艏和船艉处均称，但是在回转角度达到能­看出由于转动导致的两­侧波面的差别；而从120°和 240°航向角时的自由面可以­看出，两侧波面存在明显的高­度差别，这也导致了船体两侧的­14（d压力分布不均；从图 ）同样可以看出船艏会抬­出水面，这证明了在该波浪情况­下船舶会产生大幅度的­六自由度运动。 （d） 360° heading change 14图 波浪中自由回转过程中­船舶周围自由面Fig. 14 Snapshots of wave elevation around ship hull for turning circle maneuverin­g in waves

4结语

CFD本文采用结合重­叠网格技术的 求解器

naoe-FOAM-SJTU ，对船—桨—舵相互作用下的波浪中­船舶自由回转操纵运动­进行了直接数值模拟。数值预报的波浪中船舶­回转运动的回转圈特征­参数（如纵距、横距、战术直径、回转直径等）与10%以内，验证已有试验结果吻合­较好，误差均在了当前求解器­对船—桨—舵相互作用下的波浪中­船舶自由回转操纵运动­预报的适用性和可靠性。此外，根据计算结果显示，船舶的垂荡、纵摇和横摇运动展现出­明显的波频运动响应，而纵荡、横荡和3艏摇 个平面运动的波频振动­特征不明显。在波浪中船舶进行自由­回转时的最大船舶失速­可达40%。同时，给出了整个操纵运动过­程中的推进性能和舵力­的变化。并且通过详细的流场信­息，如不同时刻自由面变化­和桨、舵周围涡量场变化等，分析了波浪中回转操纵­运动下水动力变化的原­因。RANS由于当前数值­模拟采用时均的 方法进行流场求解，因此对于桨、舵周围大分离流动现象­捕捉的精度较差，这也导致了目前的数值­预报存在一定的误差，将来的工作将主要开展­基于更为精确的分离涡­模拟方法进行该问题的­求解，以给出更精细的流场模­拟，获取更高精度的数值预­报结果。

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Fig.2 图2 船—桨—舵多级物体运动示意图­Diagram of motions in ship-propeller-rudder system

Fig.3 图3 区域造波图示Diag­ram of wave generation zone

11图 波浪中自由回转操纵中­船舶推进性能时历曲线­Fig.11 Time history curves of propulsion coefficien­ts for turning circle maneuverin­g in waves

（c） θ = 23.3°

（d） θ = 35°

（a） θ = 0°

（b） θ = 11.7°