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SHIPS AND OFFSHORE STRUCTURES https://doi.org/10.1080/17445302.2018.1544108

散货船自航性能预报

Metin Kemal Gokce, Omer Kemal Kinaci and Ahmet Dursun Alkan^a

^aNaval Architecture and Maritime Faculty, Yildiz Technical University, Istanbul, Turkey; bCeyhan Engineering Faculty, Cukurova University, Adana, Turkey; cFaculty of Naval Architecture and Ocean Engineering, Istanbul Technical University, Istanbul, Turkey

摘要

自航性能的预估对于理解螺旋桨-船体的相互作用以及主机和推进系统之间的联系非常重要。实验工作囊括了自航性评估的核心，但由于其成本高，最初的计算是使用IMO建议的经验关系。然而，这些经验关系有时可能无法预测某些自航参数。在本研究中，我们选择了一个具体的例子，在这个例子中，IMO的建议并不能预报伴流分数。利用RANSE的数值计算对船体螺旋桨系统进行了求解，并与实验结果进行了对比，以评估其有效性。RANSE有两种不同的实现方法。第一种是直接仿真船体螺旋桨系统，第二种是船体虚拟盘系统，在这个系统中，螺旋桨被模拟成了一个圆盘。结果表明，与IMO建议的经验关系相比，数值结果更为可靠。

关键词：日本散货船;JBC；等推力法;虚拟盘;自航;伴流分数

命名

A_g 网格面积

A_pd 螺旋桨桨盘面积

C_T 总阻力系数

D 螺旋桨直径

Fr 傅汝德数

J 推进系数

K_T 推力系数

K_Q 转矩系数

N 螺旋桨转速

P_E 有效功率

R_T 总阻力

R_T，bh 裸船体条件下的总阻力

R_T，sp 自航状态下的总阻力

R_T，vd 带有虚拟盘时的总阻力

t 推力减额系数

T 推力

U_G 网格的不确定性

U_I 迭代的不确定性

U_N 总数值不确定性

V_A 螺旋桨接收到的速度

V_m 船模速度

omega; 标称伴流分数

omega;_av 平均标称伴流分数

omega;_T 泰勒伴流分数

eta;₀ 螺旋桨敞水效率

eta;_H 船身效率

eta;_R 相对旋转效率

rho; 水的密度

缩写

CAD 计算机辅助设计

CFD 计算流体动力学

ESD 节能设备

IMO 国际海事组织

ITTC 国际船模实验池会议

JBC 日本散货船

MRF 移动参考系

RANSE 雷诺平均N-S方程

SFC 摩擦阻力修正

SST 剪切应力传输模型

T2015 东京2015 CFD研讨会

VOF 流体体积

Vamp;V 查证和确认

1.介绍

由于实验成本高，数值研究过程耗时，经验关系仍有适用的地方;特别是工程师进行船舶设计的初级阶段。IMO或ITTC委员会也提出了一些经验关系，以便对其各个方面进行快速评估。

像其他所有水动力特性一样，自航性能预报也可能依赖于这些基本的经验关系。自航实际上包含了船体和螺旋桨之间复杂的相互作用，但这种相互作用可以粗略地用两个参数来分析;即伴流分数和推力减额系数。利用这两个参数，整个船周围的复杂流动被线性化，这种线性化可以让我们对自航做一些预测。然而，不寻常或反例总是存在;这迫使造船业以更复杂的方式来处理这个问题。其中一个最受欢迎的方法通常是采用一种基于雷诺平均N-S方程的RANS法的计算策略。

基准的日本散货船(JBC)就是一个反例。该船具有高的方形系数，IMO对伴流分数和推力减额系数的预测方法未能准确的估计这些相互作用的参数。

因此，本研究采用基于ranse的计算流体动力学(CFD)方法来预测自航点，并讨论IMO建议对像JBC这种复杂形式船的有效性。

JBC的自航预报被列入2015年东京船舶流体动力学研讨会。来自世界各地不同组织的13份报告的数值结果发表在他们的网站(T2015研讨会)上。在会议之前已核查了这些方案，并对所有提交的报告就其选择的数值方法和领域内的要素数目进行了评价等。在本研究中，案例1.5仿真了船在静水中有螺旋桨、无舵和带有节能设备下的自航。

除了本次研讨会，目前的文献还缺乏对这一特定基准船舶的研究。（Wackers等2017)研究了采用自适应网格优化的RANS仿真的非稳态行为。该团队的另一项研究提到了JBC数值流预测的困难(Queutey等人2016)。在他们的研究中，对螺旋桨附近的局部流动进行了数值分析，他们得出结论，JBC螺旋桨附近的流动是难以预测的，因为在船的尾部有一个不稳定的旋涡结构。

论文的其余部分组织如下:首先解释了利用IMO的建议来估算船舶自航的一般方法。在此基础上，给出了基于ranse法的CFD的不同数值方法的计算结果。通过验证和验证程序对数值方法进行了测试，以确定仿真中的不确定性级别。最后，将自航预报的计算结果与实验结果进行了比较。

2.方法

自航性能预报通常是在拖曳水池或包括船体和螺旋桨的数值仿真中进行的。然而，对于船体-螺旋桨系统来说，当四个分量：裸船体总阻力、螺旋桨敞水性能、标称伴流分数和推力减额系数已知时，自航性能可以直接近似估算，而不需要数值仿真或实验结果。该方法一般包括以下步骤:

(1)测量裸壳总阻力R_T ；

(2)从敞水螺旋桨试验中获得推力系数K_T、转矩系数K_Q、敞水螺旋桨效率eta;₀和推进系数J；

(3)根据国际海事组织(IMO)的建议，估算伴流分数omega;和推力减额系数t (IMO 2013)；

(4)实验通常在模型尺度上进行;因此，使用ITTC推荐的计算模型的摩擦阻力修正(SFC)(ITTC, 7.5-02-03- 01.4)；

(5)利用该方程计算所需推力

(1)

(6)利用敞水螺旋桨性能曲线，得到船舶理论自航点的J、K_T、K_Q和eta;₀；

除推力减额系数t外，其余三种均可在裸壳或敞水螺旋桨实验中得到。另一方面，通过对船体螺旋桨系统的仿真，可以估算出推力减额系数，这需要大量的计算时间。因此，一个快速简化的方法是利用文献中包含上述第三步的经验关系。使用上述方法的自航近似的误差阶数取决于根据建议预测的伴流分数和推力减额系数的精度。该方法以及基于该方法的一些结果可以在(Kinaci等人2018)中找到。

在本研究中，选择了一个不符合IMO建议的具体例子，并通过数值仿真对其自航点进行了预测。日本散货船的标称伴流分数和推力减额系数非常高，用简单的工程关系很难找到它的自航点。

3.数值实现

本文利用商用软件(Star CCM )实现了RANSE，并进行了计算研究，可分为三个部分。总结如下:

• 只考虑船体的裸船体数值仿真，
• 只考虑螺旋桨的敞水螺旋桨仿真，
• 考虑船体和螺旋桨的自航仿真。

自航仿真可以进一步分为两个阶段;把螺旋桨建模为一个虚拟圆盘，并将螺旋桨直接建模为自推进情况。在计算工作中所作选择的概要如下所示。

所有仿真均为稳态，模型比例为lambda;= 1/40。根据ITTC的建议选择流体域(7.5-03-02-03)。采用移动参照系(MRF)方法对螺旋桨旋转进行了仿真。当不希望发生空泡并且对螺旋桨的声学特性不感兴趣时，这种方法是一种公平的方法。为了解决船舶周围的湍流，采用了k-omega; SST湍流模型。 与k-ɛ相比，k-omega; SST模型更为可取，因为JBC船型较为丰满，具有较高的方形系数。k-omega; SST模型是阻流体的较好选择。考虑到湍流模型的选择，壁面y 值保持在可接受的范围内。为此，靠近船体使用了棱镜层(和/或螺旋桨)。在适用的情况下，使用流体体积（VOF）模型跟踪自由表面（敞水状况下螺旋桨仿真为单相，因此VOF未激活）。特别注意的是开尔文尾流场以正确地可视化的波模式在自由表面，如图1所示。流体性质，如水密度或粘度设置为与实验相同的数值。在仿真中使用的网格数量的详细信息如表1所示。

对于敞水下的螺旋桨仿真和直接对自航仿真，创建了两个区域，如表1所示。螺旋桨被旋转区域包围，在静止区域和旋转区域之间定义一个界面。静止区域几何上更大，但由于螺旋桨附近的高压梯度期望，旋转区域有更密集的网格。在这些区域用于敞水下螺旋桨仿真而使用的网格系统可以在图2中看到，带有螺旋桨的直接自航仿真可以在图3中看到。

自航仿真以两种不同的方法进行，也在本节开始时提到过。

首先是没有进行建模的螺旋桨，但定义了一个虚拟圆盘，以代表螺旋桨。在这种仿真中没有旋转区域。虚拟盘被定义在螺旋桨的中心，其直径与原螺旋桨相同。使用虚拟盘的自航可以在裸船体的仿真中使用网格系统来

图1 JBC（粗网格）周围的网格系统的一些屏幕截图。 为了更好地仿真自由表面，在需要开尔文尾流模式的地方增加了网格数量。

实现。然而， 在这项研究中，当实施虚拟盘方法时，在螺旋桨区域附近进行了其他改进，以确保更好地模拟船体与螺旋桨之间的相互作用。

表1 本研究不同仿真中使用的网格数量

数值仿真类型	网格数量
	静止区域	旋转区域	总计
裸船体	2100k	-	2100k
敞水螺旋桨	600k	1200k	1800k
使用虚拟盘的自航	2520k	-	2520k
带有螺旋桨的自航	2480k	1360k	3840k

第二个自航仿真是采用螺旋桨直接进行自航仿真(ITTC, 7.5-03-03 - 01)。将螺旋桨从包围它的区域中减去，并将其定位在JBC上的正确位置，如图3所示。给螺旋桨一个初始旋转，调整转速达到自航平衡。

4.使用虚拟原盘方法预报自航性能

裸船的体仿真可以为船舶自航点的预报提供有用的数据。可以参考已建立的方法，该方法考虑到螺旋桨与船体之间的相互作用，以估计有关推进系统的细节，像推进效率（例如eta;_H，eta;_R或有效功率P_E）。然而，为了评估船体和螺旋桨之间的相互作用，还需要了解螺旋桨在敞水状况下的性能。

与处理自航情况的直接方法不同，处理船舶自航问题也有间接方法。在这些方法中，从裸船体的实验或数值仿真中获得的标称伴流

图2 在敞水螺旋桨仿真中使用的网格，流体域和边界条件(左)，沿y方向到边的距离为4D，JBC螺旋桨(右)。

图3 自航CFD仿真使用的网格系统，在船尾的改进是明显可见的，同时给出了背景和旋转区域的视图。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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