基于缓慢航行导致的船首表现和行为的全尺寸非定常RANS CFD模拟
摘要：能够有效估算波浪对的影响船舶很重要，因为造成的阻力和速度损失可能会导致船舶航程延期或航向改变，进而产生经济上的损失。在近来的经济形势和监管环境下，慢速航行作为一种可以减少燃油消耗以减少运行成本的航行方式，已经变得逐渐流行。对船舶运动的传统研究方法基于势流理论，没有考虑粘性作用。幸运的是，不稳定的雷诺平均N-S计算能够同时在流动的自由表明波浪中考虑粘性影响和转动效应。这种研究的关键目标是进行完全非线性不定常RANS模拟去预测全尺寸大型集装箱运输船模型的附加阻力和船舶行为，并且估计在波浪中行进时增加的有效功率和燃油消耗。这种分析以船舶设计速度和慢速航行速度进行，使用商用求解器，求解范围能够覆盖常见的海浪情况。结果根据可用的实验数据进行验证，并且发现与实验非常吻合。此外，结果也与势能理论的结果进行了比较。
- 导言
了解船舶在实际航道中运行的表现是确定其性能的关键。恶劣的海况条件会极大影响船舶航行，影响船舶的行进阻力。由此产生的附加阻力会影响动力效能同时增加燃油消耗。船舶的航行状态对船体、船员和货物的安全也有重要的影响。在当前经济形势下，能够清楚认识到阻力对船舶航行状况的影响是十分重要的，因为我们已经可以看到燃油费在整个航程费用中所占的比例在不断增长。例如，对于传统典型的商用船只，燃料成本已经超过了其运营成本的一半，而对于集装箱船，这一数字可能高达75%。
目前的经济形势已经不同于现在船舶设计时所处的经济繁荣期，为回应近来的燃料价格上涨，船舶运营商已经开始应用慢速航行方式。慢速航行方式是由技术专家Maersk在2007年年提出，在这种航行方式中，船舶为了减少所需的燃料量，运行速度大大低于其原来设计速度。对于集装箱船来说，缓慢航行通常被定义为大约18节，低于这个速度的运行速度被称为“超慢速航行”。图-1 取自Banks等人（2013年） 显示了近年来集装箱船运行速度如何下降，比较2006-2008年年和2009年-2012年，可以看出，现在这些船舶的运行速度明显低于原本设计速度。特别是可以观察到，这些收集的数据中分布最多的慢速航行速度大约为19节。因此这个速度将被用作本研究中最具代表性的慢速航行速度。
图1、2 近年来集装箱船运行速度变化
在其他方面，如“及时”操作和虚拟到达也被用作降低速度的一种手段，而不会影响运输货物交付港口的约定日期。在某些情况下，船舶甚至可以采用较低功率的推进系统进行航行，以减轻重量并提高效率，并减少在非设计条件下机器长期运行可能出现的问题。然而，很少有研究表明，这些较低的速度和进一步的节省燃料可能会对船舶的行为产生影响。本文通过比较俯仰和升沉运动，以及在原本设计和慢速航行中的附加阻力来得到这些影响情况。尽管已经开展了广泛的研究来调查有效功率、船舶燃料消耗和二氧化碳排放量的增加，但没有专门的研究，通过使用基于计算流体力学的雷诺平均N-S（RANS）方法，去预测在波浪中的操作而导致的上述参数的增加。因此，这项研究的主要目的是直接预测在正常海域运行的船只所需有效功率的增加。这会使用粗略估计燃料损失以抵消来自船舶额外二氧化碳排放。通过调用额外的阻力预测来探测慢速航行的潜在影响。
国际海事组织（IMO）于2009年年引入能源效率运行指标（EEOI），作为检测船舶运营的性能的方法。EEOI使得能够评估船舶的运行能源效率，其表示为每单位运输工作排放的二氧化碳量。除此之外，还有关于控制运输过程氧化硫排放的规定，并进行的具体的限制。随后2016对氧化氮的排放进行了限制，而二氧化碳和可吸入颗粒物的排放限制也可能在未来引入。可以通过慢速航行来减少燃料消耗，改善或至少保持推进效率，采取这样的措施来达到这些要求。
在海上航行的阻力大于其在平静水域中的阻力。这两种阻力之间的差异来自于船舶运动和波浪中的波浪力，这种力被称为波浪引起的附加阻力。增加的阻力可能占平静水中总阻力的15-30%。因此，能够准确预测船舶在波浪中的附加阻力是至关重要的，这应该包括在船舶性能评估中。这项研究的目的之一是预测波浪引起的附加阻力，比基于势能理论的方法更具有准确性。
KRISO集装箱船（KCS）由韩国海洋与海洋工程研究所（现为MOERI）开发研制，已广泛应用于研究领域。因此有大量的实验和模拟数据可供研究对比，并用于有效性验证。因此，咋这项研究中已经对KCS进行了调查，因为这些数据和公共领域的研究已经准备就绪。此外，集装箱船尤其会受慢速航行的影响，因为它们的设计速度非常高，最高可达25节。而KCS的设计运行速度为24节，这使得KCS的模型与本研究特别相符。
正如国际船模试验池会议（ITTC）（2011a）所讨论的结果，数值模拟方法的进步和计算能力的增加使得使用CFD考虑粘性效应来进行船舶运动的完全非线性模拟成为可能。在这项研究中，使用商业CFD软件StarCCM 9.0.2版，由CD-Adapco开发。除此之外，在Strathclyde大学的超级计算机设备也已经被允许使用进行更快和更复杂的模拟。
所有模拟均使用附带方向陀的全面KCS船体模型，以避免缩放效应。该模型首先在平静的水面条件下自由航行和沉降，以便获得基本的阻力，无论是设计速度还是慢速航行速度。然后模型在航道中运行，以便观察船舶运动并计算波浪造成的附加阻力。对于这两种速度再进行相应的讨论。此过程将对船体上的阻力进行监测，并记录俯仰和垂荡时间。论文结构如下：第二节给出关于水波力法的简要文献综述以及RANS方法在解决耐波问题方面的应用。之后，在第三节给出了主要的船舶属性，并且详细介绍了适用于当前CFD模型的仿真案例列表。接下来，在第四节CFD模型的数字设置将被解释，详细内容请参见所包含的子部分。在此之后，所有这些工作的结果，包括验证和验证研究，都在论文中的第五节进行论证和讨论。最后，在第六节中，对本研究取得的主要成果简要总结，并提出为今后的研究做准备的建议。
- 背景
绝大多数预测船舶运动的可用技术以及波浪引起的附加阻力都依赖于潜在流理论的假设，包括自由表明效应。然而，许多以前的研究，如Schmitke（1978年）已经表明，粘性效应可能是最显著的，特别是在高振幅波和高弗劳德数的情况下。
贝尔和里德（2001年）估计在21世纪初，在前进速度下所有耐波计算中有80%是使用条值计算理论进行的，因为这种理论具有快速解决问题的能力。条值计算理论的另一个优点是它适用于大多数传统的船舶几何形状。另一方面，正如纽曼（1978年）所讨论的，传统的条值计算理论在长入射波和高弗劳德数下有一些缺点。这被认为是由前向速度小于的演化和衍射问题的复杂性质引起的。Faltinsen和Zhao（1991年）还指出，当以高速运动条件下应用时，条值计算理论是有问题的，因为这种计算理论以简单的方式解释了前进速度。因此，条值计算理论和高速船试验的差异促进了开发更先进的理论的研究。如三维朗肯面板法，非稳定RANS方法和大涡模拟（LES）方法（贝克和里德，2001年）。
随着计算设施变得更加强大和更容易获得，正如Tezdogan等人的详细解释，使得使用三维技术来研究耐波性问题变得越来越普遍。Yasukawa（2003年）（2014A）声称已经开发出三维方法来克服条值计算理论方法中的缺陷。开发该方法的Bertram 和Yasukawa（1996年）说，流量和前进速度的全部3—D效应应该被考虑到，与不适应考虑这些影响的条值计算理论相反。Yasukawa（2003年）应用Bertram 和Yasukawa（1996年）的理论到几个大型的集装箱船。据报道，作为他研究的结果，使用“动力学”理论可以更好地预测水动力，使用Bertram 和Yasukawa（1996年）的理论比通过条值计算理论获得的结果相比，船舶运动和局部压力数据更吻合实验结果。然而由于粘滞流动效应，预测的横向流体动力学效果不理想。Yasukawa（2003年）表明这个问题可以通过应用经验修正来减少，类似于条值计算理论中所用的修正。
Simonsen等人（2013年）强调在数值方法中应该直接考虑势能理论忽略的影响，如破波，湍流和粘性。例如，RANS方法是势能理论非常好的替代方法，因为它们可以将粘性效应直接纳入其方程。
持续的技术进步提供了不断增加的计算能力。这可以用于粘滞流模拟来求解时域中的RANS方程。基于CFD的RANS方法在耐波性应用中迅速普及。这些方法具有明显的优势，允许设计人员在设计阶段评估船舶的耐波性能，因此在船舶实际建造之前可以及时任何的纠正措施（Tezdogan等人，2014b）。
1994年，在东京组织了一个CFD研讨会，正如Wilson等人所解释的，讨论实施稳定的RANS方法，为水面船舶周围的自由水面提供解决方案。从那时起，RANS方法已被广泛用于许多海洋流体动力学应用中。
正如Simonsen等人（2013年）所讨论的，基于RANS的CFD方法已被许多学者广泛用于几种船型的耐波性能分析。Sato等人（1999年）进行CFD模拟来预测Wigley船体和Series 60模型在大海中的运动，然后Hochbaum和Vogt（2002年）在海浪这种进行了3个自由度运动（波动，起伏和俯仰）的C-Box集装箱船的模拟。按照此，Orihara和Miyata（2003年）预测中使用Baldwin-Lomax湍流模型增加了常规海浪中的S-175集装箱船的阻力、俯仰和升沉响应。在他们的工作中，他们调查了两种选择的球茎形式对预测附加抗性的影响。
Weymouth等人（2005年）还对更复杂的船舶几何进行了CFD模拟。例如，模拟Wigley船体在常规入射波中的俯仰和升沉运动。Carrica等人（2007年）研究了规则的小幅度头波中的DTMB 5512模型的运动。Hu 和 Kashiwagi（2007年）还调查了Wigley船体在大海中的俯仰和升沉响应。Stern等人（2008年）研究了BIW-SWATH在常规海浪中的俯仰和升沉响应。Wilson等人（2008年）和Paik等人（2009年）进行CFD模拟以预测常规海浪中S-175船的俯仰和升沉转移函数。Carrica等人（2008年年）展示了应用一种不稳定RANS CFD方法来模拟在正常和不规则海域的自动驾驶 ONR Tumblehome的拉削事件。然后，Castigilione等人（2011年）以三种不同速度研究了高速DELFT双体船在常规海浪中的运动效应。按照此，Castigilione等人（2013年）在头部和倾斜规则波的两个弗劳德数下进行了同一双体船模型耐波的CFD模型。
Bhushan等人（2009年）对全尺寸自推式雅典娜船舶进行阻力和动力计算，使用光滑和粗糙的墙壁功能自由下沉和修剪。他们还全面对模型进行了耐波模拟以及全尺寸DTMB 5415的机动计算。Mouasviraad等人（2010年）使用常规波和瞬态波组程序获得了公海中DTMB 5512模型的起伏和俯仰响应振幅和相位。按照此，Simensen 和 Stern （2010年）进行了CFD RANS模拟，以获得KCS模型的升沉和俯仰运动，同时增加了阻力，并在哥德堡2010年ＣＦＤ研讨会上展示。此外，Enger等人（2010年）他们使用Star-CCMP软件包研究了KCS模型的动态修剪，下沉和阻力分析。在他们的工作中，CFD的结果与实验结果一致。按照此，Carrica等人（2011年）在爱荷华大学开发的通用CFD模拟软件CFDShip-Iowa中，提出了两种模拟尺寸的KCS计算。他们在平静的水中自由进行自我推进下沉和修剪模拟，然后进行常规海浪的俯仰和起伏模拟，覆盖了三个条件和两个不同的弗劳德数（Fn=0.26和0.33）。然后，Kim（2011年）声称目前的CFD技术将促进船舶优化的决策过程。最后，Simonsen等人（2013年）通过实验流体力学（EFD）和CFD对平静水域和常规海域的附加KCS模型的运动、流场和阻力进行了研究。他们主要关注大振幅运动，因此研究了近共振和最大激励条件。使用CFD方法获得的结果与他们的实验和势能理论方法的结果进行了比较。
据我们所知，大部分RANS耐波模拟都是在模型上进行的。但是，如Hochkirch和Mallol（2013年）声称的，由于尺寸效应，模型尺寸行为和全尺寸行为会有显著的差异。他们解释说，模型和全尺寸之间的差异主要来自于不同的边界层，分离和波浪破碎效应，特别是在横梁模型后面。Visonneau等人（2006年）在他们的论文中得出结论“完整分析尺寸对自由表面和粘性结构的影响显示这些尺寸效应不可忽略，并严重依赖于复杂的几何形状”。正如通过几个例子详细讨论的Hochkirch和Mallol（2013年）,全面进行分析是最重要的，尤其是对于附加推进装置（PID）的船体。因此决定在本人提出的CFD模拟中使用全尺寸KCS模拟。
另外，在这篇文献回顾中，可以看出，当使用KCS模型时，虽然已经对一系列弗劳德数进行了阻力预测（例如Banks等人，2010年和Enger等人，2010年），耐波性分析仅在与弗劳德数为0.26或更高时对应的前进速度下进行（例如Simonsen等人，2013年和Carrica等人，2011年）。因此，本研究可能有助于以慢速航行下了解KCS模型的耐波性和性能。
- 船的几何形状和特性
在这项研究中，使用了附有方向陀的KCS全尺寸模型。KCS模型的主要特性在表1（Kim等人，2011年）中：
如前所述，该船的航行速度为24节（12.345m/s）。选择19节（9.773m/s）的慢速航行速度作为当前集装箱船操作的典型值。
表1 KCS船的一般属性
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