研究成果介绍-基于CFD与经验方法的双桨双舵内河船舶操纵运动建模
本篇作者：卢苏立
页面编辑：王国辉、徐诚祺
内容校核：刘佳仑、李诗杰
船舶的操纵运动数学模型可以用于评估船舶的操纵性能，在当今智能船舶技术高速发展的时代发挥着越来越重要的作用。本文基于CFD与经验方法提出了一种针对双桨双舵内河船舶的操纵运动数学模型，通过将模型仿真结果与一艘双桨双舵64箱内河集装箱船船模自由自航模实验结果的比较，验证了该模型的有效性。本文采用CFD方法计算了模型船在不同进速系数和舵角下的螺旋桨及舵的水动力系数，并将计算结果回归从而得到了考虑螺旋桨影响的舵力模型。本文首先验证了CFD数值方法及舵力模型的可靠性，而后，将舵力模型与经验公式相结合，实现并验证了双桨双舵内河船舶的操纵运动建模。
全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apor.2022.103261
附件下载：
https://pan.baidu.com/s/1Jo3XxRSTurlzZ628UqeOUw?pwd=llky
引用格式：
Lu Suli,Cheng Xide,Liu Jialun,Li Shijie,Yasukawa Hironori. Maneuvering modeling of a twin-propeller twin-rudder inland container vessel based on integrated CFD and empirical methods[J]. Applied Ocean Research,2022,126.
转载、合作、交流等欢迎联系：
liuli_research@outlook.com
Maneuvering modeling of a twin-propeller twin-rudder inland container vessel based on integrated CFD and empirical methods
基于CFD与经验方法的双桨双舵内河船舶操纵运动建模
卢苏立，程细得，刘佳仑*，李诗杰，安川宏纪
本文的研究对象为一艘双桨双舵64箱内河集装箱船船模，模型船长3.522m。模型船及自由自航模实验场景如下图所示。
模型船及实验场景图
01
模型框架
本文所提出的操纵运动模型在Liu 2017工作的基础上，采用CFD方法对螺旋桨-舵的水动力性能进行了仿真，通过回归分析得到了桨后舵升阻力系数的变化，结合经验方法建立了双桨双舵内河船舶的操纵运动数学模型。本文提出的操纵模型框架及与Liu2017和Fujii方法计算舵力的比较如下图所示。
02
验证结果
为了对上述模型进行验证，本文从两个方面开展验证工作。首先，以Wageningen B4-55 + NACA 0020桨舵系统为对象，验证计算螺旋桨-舵系统水动力性能CFD计算方法的正确性。而后，以KVLCC2船舶配备的E698 + NACA 0018桨舵系统为对象，验证本文提出的舵力模型的正确性。两个方面的验证结果如下图所示。
CFD计算方法验证
（Wageningen B4-55 + NACA 0020水动力系数CFD计算值与实验值比较）
舵力模型验证
（采用本文提出的舵力模型得到的KVLCC2船模-35°回转实验仿真结果与实验结果的比较）
03
模型建立
在验证了本文提出的操纵运动模型后，本文以双桨双舵64箱内河集装箱船船模为对象，采用上文所述的CFD与经验公式相结合的方法，建立了其操纵运动模型。
对双桨双舵64箱内河集装箱船一舷的桨舵系统开展CFD仿真，得到的桨舵系统附近流场的压力及流线分布如下图所示。
压力及流线分布
而后，比较了三种舵力模型，即Fujii模型、Liu2017中提出的模型和本文提出的模型。通过与±35°回转实验与±20°/±20°Z形实验数据的比较，可以看出，本文提出的舵力模型能较好地描述操纵运动过程中时历参数的变化。
三种舵力模型的比较
将双桨双舵64箱内河集装箱船船模-15°回转实验与-20°/-20°Z形实验的时历参数与仿真值进行比较，如下图所示。可以看出，本文基于CFD与经验方法提出的操纵运动模型能较好地捕捉到操纵运动中时历参数的变化。
64箱内河集装箱船船模-15°回转实验仿真值与实验值的比较
64箱内河集装箱船船模-20°/-20°Z形实验仿真值与实验值的比较
04
总结
在未来的研究中，可以进一步完善本文中的操纵运动模型。在当前模型中，船体尾流对螺旋桨的影响简化为均匀来流的影响，且斜流的影响是通过经验方法改变有效舵角来计及的。此外，由于螺旋桨侧向力可能导致双桨双舵船舶左舷和右舷整流效应的不对称，因此后续研究中还应考虑操纵运动过程中螺旋桨侧向力的影响。由于频繁的转舵操作会使船后流场复杂化，因此本文的简化处理对Z形实验的影响较回转实验更大，后续可考虑船-桨-舵耦合的CFD计算以提高建模精度。考虑到内河船舶会收到狭窄航道的影响，可以在未来的研究中评估受限水域对螺旋桨-舵水动力性能的影响。
文章来源：留理科研
当前暂无评论，小编等你评论哦！
