摘要
随着高性能计算机和数值方法的快速发展，基于动态重叠网格技术的计算流体力学方法为解决船舶操纵问题提供了切实可行的方法，现已广泛应用于船舶与海洋工程领域。船舶的操纵性能与航行安全密切相关，良好的操纵性能够大幅降低船舶的燃油消耗和碳排放。波浪中的船舶操纵性问题，涉及大幅度的操纵运动和耐波性等方面，其中低频操纵运动与高频波浪力相互耦合，尤其是入射波导致船桨舵的相互作用更为复杂，使得该问题的求解和收敛较为困难，因此对该问题进行研究具有重要的参考意义和价值。 本文主要基于商业化 CFD 软件 STAR-CCM+和开发的运动控制模块，利用重叠网格技术和动态流体相互作用模块实现了静水和波浪工况下 KCS 船模航向保持操纵和典型回转操纵运动的数值模拟。运动控制模块采用Java宏二次开发的方式来实现，通过反馈控制器调节舵角，如PID控制器等，以实现六自由度的航向保持操纵和回转操纵运动。 首先对船舶的静水阻力问题进行验证和分析，对不同航速的 KCS 船模阻力、船体姿态和流场进行模拟，数值预报结果与试验值吻合较好，低航速工况误差相对较大，主要是低航速工况下收敛较为困难所致，初步验证了本文所采用URANS求解器和数值方法的可靠性和精度。对比了 VOF 隐式多步法与单步法在船模阻力预报和自由面兴波捕捉方面的优势和局限性，相同时间步长下两者数值预报结果吻合良好，通过增加内迭代次数可以获得与缩短时间步长相近的结果，且求解时间大幅降低，约为单步法的1/2。 随后对螺旋桨的敞水性能及静水工况下带螺旋桨和舵的 KCS 船模自航推进开展计算，预报的船模自航点(即螺旋桨转速)与试验值吻合良好，误差仅为4.5%。基于该转速对自航船模的航向保持操纵和回转操纵运动进行模拟，轨迹和特征参数与试验值拟合良好，通过船体运动时历曲线和流场分布对船桨舵的相互作用进行分析和讨论，充分验证了本文所采用数值模型和运动控制模块的计算精度和可行性。 最后将自航船模操纵运动由静水扩展至规则波，研究波浪入射角对 KCS 船模航向保持操纵和典型回转操纵运动的影响。航向保持操纵方面，波浪入射角对船舶阻力和航速的振幅影响较大，随着入射角的增加，时历曲线振荡的周期随之增大，迎浪工况的波浪增阻高达128%，船模航速和阻力时历曲线中还可以观察到明显的非线性特征。此外，静水和迎浪工况下的船模自主航向保持能力较强，舵表面压力分布不对称所产生的转艏力矩抵消部分环境载荷的作用，方向舵偏转相对较小；船模处于斜浪工况时，通常需要较大舵角以维持航向稳定，船舶的航向稳定性较差。回转操纵方面，高频波浪力对船舶的航速、首摇速率及纵摇和垂荡运动等产生影响，操舵开始后船模出现明显的降速现象，船体运动的振幅和频率与波浪入射角密切相关。此外，旋回圈的特征参数同样取决于船舶航速和波浪入射角，船模航速越高，进距和首摇90度所需的时间相对较大，而横浪、尾斜浪和顺浪工况下船桨舵和入射波相互作用所产生的转艏力矩要大于迎浪和首斜浪，船模回转速度显著增加。通过上述数值模拟，充分验证了基于动态重叠网格技术的CFD方法能够有效求解波浪中船舶操纵性问题。
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