限制航道中计及航速影响的船舶操纵水动力数值预报研究

Using a CFD-based numerical simulation method, this project predicts the hydrodynamic forces on manoeuvring ships in confined waterways, including the influence of free surface elevation and ship squat due to the ship-speed effects. The free surface elevation is modelled by Volume of Fluid method, and the ship squat is simulated with the dynamic mesh technique to update the mesh and adjust the ship attitude. From the results of numerical simulations, the influence of free surface elevation and ship squat on the hydrodynamic forces acting on manoeuvring ships in confined waterways is investigated, and the tendencies of shallow-water effects and bank effects on hydrodynamic forces with the influence of ship speed are summarized. On this basis, the safe speed of ship in confined waterways is determined. Comprehensive understandings of the physical mechanism of the hydrodynamic forces in confined waterways are obtained according to the predicted details of the flow field. Meanwhile, to validate the numerical model and to improve the reliability of the numerical predictions, the error and uncertainty in numerical simulations are estimated by verification and validation in combination with the captive model test data. From this project, it is expected to develop a reliable numerical method for achieving more accurate predictions of the hydrodynamic forces on manoeuvring ships in confined waterways, taking the ship-speed effects into account. The research results of the study can provide valuable references for developing the regulations of safe speed in confined waterways to guarantee the safety of shipping in inland waterways.

本项目采用基于CFD的数值模拟方法，计及航速引起的自由面兴波及船体下蹲影响对限制航道中的船舶操纵水动力进行数值预报。采用VOF法模拟自由面兴波，结合动网格技术更新网格、调整船舶浮态以模拟船体下蹲。由数值模拟结果考察自由面兴波及船体下蹲对限制航道中船舶操纵水动力的影响，总结限制航道中计及航速影响的浅水效应、岸壁效应对船舶操纵水动力的作用规律，确定保证船舶在限制航道中安全航行的安全航速，并基于得到的流场信息，获得对限制航道中船舶操纵水动力物理机理的深入认识。同时，结合约束模试验，采用验证和确认方法，分析数值模拟中的误差和不确定度，以验证数值模型的有效性，并提高数值预报结果的可靠性。通过本项目的研究，开发得到计及航速影响的限制航道中船舶操纵水动力数值预报方法，对限制航道船舶操纵水动力作出比较精确的预报，为我国制定内河航道船舶安全航速标准提供依据，为我国内河航道船舶航行安全提供保障。

开展限制航道中的船舶操纵水动力预报研究，通过计入航速影响提高水动力预报精度，对于船舶在限制航道中的航行安全问题，具有非常重要的意义。项目应用粘性流和势流两种CFD数值模拟方法，针对不同水动力学问题的数值建模需求和精度要求，开展了航速影响下限制航道船舶操纵水动力的数值预报研究。在基于粘性流方法的研究方面：对浅水斜航和沿岸航行船舶的粘性绕流场进行了数值模拟，并从验证和确认角度评估了数值计算结果，分析了数值误差源；通过对不同航速、船-岸距离、水深和河岸倾角进行系列计算，分析了这些因素对船体水动力的影响，获得了受浅水、岸壁或船-船干扰等影响的限制航道中船舶水动力的物理机理。通过以上研究建立了经过验证的相对可靠的不含自由面兴波的限制水域船体周围粘性绕流场的数值模拟方法。在此基础上，开发了基于VOF的自由面兴波捕捉技术，和重叠网格、动网格技术相结合模拟了船体在限制水域由于受到水流阻塞效应影响而产生的下蹲现象，通过计及航速影响数值预报限制航道中船舶的操纵水动力。采用该方法数值模拟了DTC集装箱船在浅水区中的纯斜航和简谐横摇运动，计算了作用在船体上的力以及航速影响下的船体下沉和纵倾。在基于势流方法的研究方面：自主开发了基于NURBS高阶面元法的三维势流方法及相应的计算程序，并将其应用于浅水域水平海底船-船水动力相互作用数值研究、浅窄航道水平海底船-船水动力相互作用数值研究，以及浅水域不规则海底船-船水动力相互作用数值研究，对船-船横向间距、水深-吃水比、航速等影响因素进行了系统的研究。通过项目的研究，得到了计入航速影响后限制水域船舶水动力数值预报结果，提高了数值方法在预报限制水域船舶操纵水动力方面的能力和精度。研究成果将为我国限制航道船舶的航行安全提供重要的理论支持。