波浪中船舶操纵运动直接数值模拟方法研究

Ship maneuvering in waves includes the performance of ship resistance, seakeeping, propulsion, maneuverability and so on. It is a complex hydrodynamic problem with the interaction of many factors. Despite the fact that the traditional research method of ship maneuverability is mature, the free running ship maneuver in rough sea environment is characterized by multiple temporal or spatial scale flow, motion control with hull-propeller-rudder multilevel system and large flow separation, etc. So far, there is no reliable fully coupled method yet and an accurate numerical analysis tool is also absent. In this project, detached eddy simulation (DES) and maneuvering control module is developed to accurately solve the flow field and the ship motion. In addition, a fully coupled model for ship seakeeping, propulsion and maneuverability is established. Dynamic overset grid method is applied to handle the complex ship hull-propeller-rudder motion system; a relaxation zone technique is used to generate desired waves in moving computational domain. Direct CFD simulations of free running ship maneuver in waves are conducted to accurately predict the hydrodynamic performance. Based on the numerical simulations, benchmark cases and data are established to provide valuable information and a reliable analysis tool for the research of ship maneuverability in waves.

波浪中的船舶操纵涉及到船舶阻力、耐波、推进和操纵等方面，是一个复杂的、多因素相互影响的船舶水动力学问题。虽然传统的船舶操纵运动研究方法已经较为成熟，但考虑船桨舵相互作用下的复杂波浪环境中船舶操纵运动具有多时空尺度流动耦合、多级物体运动控制、大分离流动等特点，目前尚无可靠的全耦合研究方法，也缺乏精确化的全耦合数值分析工具。本项目将构建基于分离涡模拟方法和自航船舶操纵运动控制的精确化求解模型，开发波浪中船舶操纵运动一体化全耦合直接求解方法。通过动态重叠网格技术处理船桨舵复杂运动，基于区域造波技术实现移动计算域中的波浪场生成，进而完成自航船舶在波浪中操纵运动的直接数值模拟，精确预报波浪中船舶操纵运动特性，分析波浪对船舶操纵运动的影响机理。通过数值模拟研究，建立示范性的标准算例和数据库，为波浪中船舶操纵运动的研究提供可靠的对比参考数据和有效的分析研究手段。

波浪中的船舶操纵是目前船舶水动力学方向国际前沿的热点问题，涉及到船舶阻力、耐波、推进和操纵等多个性能，是一个复杂的、多因素相互影响的船舶水动力学问题。虽然传统的船舶操纵运动研究方法已经较为成熟，但目前尚无可靠的全耦合研究方法，也缺乏精确化的全耦合数值分析工具。本项目针对上述问题背景，开展了波浪中船舶操纵的一体化直接求解方法研究，在开源OpenFOAM平台上开发了船舶阻力、耐波、推进、操纵一体化的CFD求解模型，并且针对船桨舵复杂相互作用和船尾大分离流动现象构建了基于分离涡模拟方法和自航船舶操纵运动控制的精确化求解模型。利用上述开发的波浪中操纵一体化求解方法，完成了2型标准船模ONRT和DTC的波浪中操纵运动直接预报，重点围绕SIMMAN的标准算例开展计算分析，模拟了不同波浪工况下的船舶操纵运动响应，并且分析了不同波长和波高对操纵性特征参数以及水动力性能的影响。通过数值模拟研究，对波长与船长相等的工况进行了重点分析，完成了对船体阻力、螺旋桨推力和扭矩、舵力等水动力特性的数据分析，并且开展了傅里叶变换，对波频影响进行了比对，结合操纵运动响应和船舶六自由度运动变化，对流场细节、水动力载荷和运动响应进行了整体分析和解释，分析得到了入射波浪对操纵运动产生的漂移现象以及水动力的变化规律。此外，开展了基于分离涡模拟方法的船舶操纵运动数值模拟研究，并通过舵周围的尾部伴流场对比，给出了分离涡模拟方法可以更为有效预报操纵过程中的细节流动的结论。通过以上标准船型的波浪中操纵数值模拟研究，给出了可供对比的标准算例和数据，为波浪中船舶操纵运动的研究提供了可靠的对比参考数据和有效的分析研究手段。