基于螺旋桨四象限运作的船舶低速操纵运动水动力特性数值预报研究

Ship's maneuverability at low speed is very important for the safety of ship operation. Propeller is usually undertaking four quadrant operations during ship's low-speed maneuvering motion, and the hydrodynamic interactions between hull, propeller and rudder are very complicated. The project aims to frontier issues, and developing an accurate and efficient numerical method to predict the maneuvering hydrodynamic performance of ship at low speed in propeller’s four quadrant operation by combining an advanced IB method and LES based approach. Firstly, A reasonable module mathematical model of ship maneuvering motion is established according to the characteristic of ship maneuvering under low-speed condition and the hydrodynamic principle. By study the key numerical techniques including suitable adaptive Cartesian grid generation approach, expression of three-dimensional complex surface by NURBS, treatment of moving rigid boundary for high Reynolds number and large eddy simulation method, numerical simulations will be conducted for ship’s low-speed navigation, crash stop and back, moving obliquely and turning at large drift angle, berthing and departure from the bank under propeller’s four quadrant operations condition, and the hydrodynamic performance of ship maneuvering at low speed will be predicted accurately. The unsteady flow features such as flow separation and vortex shedding will be presented clearly, and the variation of the ship’s motion and the mechanism of hydrodynamic interaction will be revealed.

船舶低速操纵性对船舶安全运营至关重要。船舶在低速操纵运动过程中螺旋桨通常处于四象限运作状态，船-桨-舵之间的水动力干扰非常复杂。本项目拟瞄准国际船舶低速操纵性领域的前沿热点问题，通过改进传统的IB法，并将其与LES粘性流数值求解技术相结合，对螺旋桨四象限运作下的船舶低速操纵水动力特性进行预报。首先从螺旋桨四象限运作和船舶低速操纵运动特性和水动力原理出发建立分离型船舶低速操纵运动模型。通过对具有局部加密功能的笛卡尔网格生成技术、三维复杂曲面非均匀有理B样条参数化表达技术、高雷诺数刚性运动边界处理与数据交换技术、精细流场LES技术等关键技术进行研究，模拟螺旋桨四象限运作工况下船舶低速前进、停船、倒车、大漂角斜航、回转以及低速靠离泊运动，实现船舶低速操纵水动力高效准确预报。通过螺旋桨四象限运作下船舶低速操纵运动三维粘性精细流场数值模拟，揭示船舶低速操纵运动规律和船-桨-舵水动力干扰机理。

船舶低速操纵性对船舶安全运营至关重要。现行的船舶操纵性标准是针对船舶以“设计航速”在深水、无限水域、无风浪流等环境干扰力影响、无纵倾条件下航行时提出的。事实上由于船舶大型化，以前相对宽阔的航行水域，包括内河航道、入海口、港湾等随着船舶尺度的增加，船舶操纵运动空间相对变得狭小，因此船舶运动速度非常低，远小于设计航速，这对船舶的操纵性提出了更高的要求。船舶作低速操纵运动时漂角大范围变化，且转首角速度较大，因此伴随着复杂的水动力现象，船舶水动力性能与正常航行时有很大差别。项目通过广泛调研收集船舶低速操纵和螺旋桨四象限运作相关资料分析船舶低速操纵时船、桨、舵的运动特征和参数，结合船舶低速操纵运动特点和螺旋桨四象限运作时的船-桨-舵水动力作用机理，根据螺旋桨四象限运作船、桨、舵上的粘性水动力及相互干扰作用，确定作用于低速操纵运动船舶上的水动力成分，对适用于螺旋桨四象限运作船舶低速操纵运动中强烈流动分离和涡脱落的粘性流数值计算理论和方法进行分析，结合改进的船舶低速操纵运动数学模型开发船舶低速操纵运动粘性流数值计算方法。采用时间步进法对船舶以大转首角速度、大漂角低速斜航及旋回操纵运动粘性绕流场进行数值模拟，获取作用在船体上的横向和纵向水动力以及转首力矩及其变化规律，并通过显示和观察流动分离和涡系的演化规律分析大漂角操纵运动船舶水动力作用机理。通过对船舶低速前进、紧急停船倒车等工况螺旋桨在四个象限运动时船舶低速操纵运动进行计算，获得船体、螺旋桨和舵上的粘性水动力和力矩以及船体、螺旋桨周围的精细流场；通过展现船体及各附体部位压力动态分布和涡运动等流场细节，分析螺旋桨四象限运作时船-桨-舵之间的相互干扰规律及其对船舶低速操纵性的影响。项目研究获得一种先进的船舶低速操纵性数值预报手段，可为我国造船、航运和海事管理等部门制定船舶低速操纵性标准奠定基础，为船舶操纵人员提供船舶低速操纵控制理论指导。