大型邮轮与集装箱船水动力相互作用数值研究

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.257

大型邮轮与集装箱船水动力相互作用数值研究

宋深科¹, 夏立¹^,², 邹早建¹^,³, 邹璐^,¹^,³

1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240

2.国银金融租赁股份有限公司,广东深圳 518000

3.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240

A Numerical Study of Hydrodynamic Interactions Between a Large Cruise Ship and a Container Ship

SONG Shenke¹, XIA Li¹^,², ZOU Zaojian¹^,³, ZOU Lu^,¹^,³

1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

2. China Development Bank Financial Leasing Co., Ltd., Shenzhen 518000, Guangdong, China

3. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

通讯作者: 邹璐,女,副教授,博士生导师,电话(Tel.):021-34208149;E-mail:luzou@sjtu.edu.cn.

责任编辑: 王一凡

收稿日期: 2021-07-14

基金资助:

国家自然科学基金项目(51979164)

Received: 2021-07-14

作者简介 About authors

宋深科(1997-),男,河南省周口市人,硕士生,主要从事船舶计算流体力学相关研究.

摘要

大型邮轮是一种大尺度、高附加值船型,近年来得到越来越多的研究与开发.由于大型邮轮经常航行于港口、沿岸等繁忙水域,研究其与其他船舶的水动力相互作用,对保证其航行安全至关重要.以一艘大型邮轮和一艘KCS集装箱船为研究对象,通过求解非定常RANS方程,在模型尺度下预报了两船在深水、浅水中不同纵向位置、不同横向位置以及不同航速下的水动力特性,确定了两船之间水动力相互作用的变化情况.结果表明,不同的相对位置和航速均对两船的横向力和转首力矩有明显影响,浅水下两船的相互作用更加明显,且KCS船更易受到船-船相互作用的影响.

关键词： 大型邮轮; 限制水域; 船-船相互作用; RANS方程; 计算流体动力学

Abstract

The large cruise ship is a type of ship with large size and high added value, which has been increasingly studied and developed during the recent years. Since a large cruise ship often sails in the crowded waters such as harbor and coastal area, the study of the hydrodynamic interaction between the cruise ship and other ships is crucial to ensure the navigation safety. Taking a large cruise ship and a KCS container ship as the study object, the hydrodynamic characteristics of the two ships at different longitudinal positions, transverse positions, and ship speeds in both deep and shallow water are predicted in model scale by solving the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations, and the variations of the hydrodynamic interactions between the two ships are identified. It is shown that different relative positions and ship speeds have significant effects on the lateral force and yaw moment acting on the two ships. The hydrodynamic interaction between the two ships in shallow water is more remarkable, and the relatively smaller ship is more affected by the ship-to-ship interaction.

Keywords： large cruise ship; restricted water; ship-to-ship interaction; RANS equations; computational fluid dynamics (CFD)

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本文引用格式

宋深科, 夏立, 邹早建, 邹璐. 大型邮轮与集装箱船水动力相互作用数值研究[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(7): 919-928 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.257

SONG Shenke, XIA Li, ZOU Zaojian, ZOU Lu. A Numerical Study of Hydrodynamic Interactions Between a Large Cruise Ship and a Container Ship[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2022, 56(7): 919-928 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.257

随着造船业、航运业的发展,各种大型船舶越来越多,使港口、近海水域等成为所谓的限制水域,航行于这些水域的大型船舶之间的水动力相互作用更加显著.船-船相互作用效应可能引起船舶碰撞等事故,造成生命财产损失和海洋环境污染.大型邮轮是一种高附加值的大型船舶,近年来得到越来越多的研究与开发.由于大型邮轮经常航行于港口、沿岸等繁忙水域,其水动力性能易受到船-船相互作用影响,所以研究船-船相互作用对其水动力性能的影响,对保证其航行安全非常重要.

迄今为止,已有许多关于船-船相互作用问题的研究.Remery^[1]通过物理试验方法,测量得到了浅水中系泊的油轮船模在另一艘驶过它附近的航行船模影响下所受的水动力作用,并分析了航行船的速度、排水体积、与系泊船的距离等因素对两船水动力特性的影响.Nandhini等^[2]使用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法研究了系泊船和航行船之间的相互作用水动力,并与前人的试验结果相比较,验证了数值模拟的可靠性.Wang等^[3]以散货船船模为研究对象,采用CFD方法研究了航行船在进出船闸过程中与附近停泊船的水动力相互作用,分析了船速、水深、停泊船舶位置等因素的影响.Xu等^[4]使用三维高阶面元法研究了两艘油轮在浅水中会遇和追越情况下的船-船相互作用,其计算结果经与试验值对比得到了验证.刘晓艳^[5]针对限制水域中两船会遇与超越问题,分别采用4种常规船型,研究了不同水深、船-岸间距、航速以及横向间距对船-船相互作用水动力的影响.Wnek等^[6]使用CFD方法研究了拖轮与油轮以不同横向距离在不同水深下平行前进时的相互作用力,并分别采用黏性流、无黏流、考虑自由面、不考虑自由面等不同的计算模型,分析了流体黏性和自由面对船-船相互作用的影响.文献[7-8]以KVLCC2和Aframax两条基准油轮船模为研究对象,采用不同的CFD方法模拟了浅水中油轮以不同横向、纵向位置驳运时船-船相互作用的复杂黏性流场,并分析了船体所受水动力和船体姿态的变化情况.

从现有研究来看,关于船-船相互作用问题的研究,船型主要集中在油轮、散货船、集装箱船等常规基准船型,研究工况多为追越和会遇等,对大型邮轮这一高新技术船型涉及甚少.此外,由于邮轮常用于提供高端旅游服务,对航行安全性和乘客舒适度要求更高,在船舶设计和实际航行中更需要考虑船-船相互作用的影响.因此,本文以某大型邮轮和一艘KCS集装箱船为研究对象,基于STAR-CCM+软件,采用CFD数值计算方法预报模型尺度下两船在不同纵向位置、横向位置、航速和水深条件下所受的侧向力及转首力矩的变化情况,据此分析船-船水动力相互作用特性.

1 物理问题与数值模拟方法

1.1 研究对象

考虑模型尺度(缩尺比为1∶50)下的某大型邮轮和一艘KCS船,其主尺度参数如表1所示.两船保持一定的横向、纵向间距以相同的航速U沿平行航线航行.

表1 邮轮船模和KCS船模主要参数

Tab.1 Main parameters of cruise ship model and KCS ship model

参数	取值
参数	邮轮	KCS
船长L_pp /m	5.742	4.600
船宽B/m	0.744	0.644
吃水T/m	0.165	0.216
船舶质量m/kg	534.928	416.240
方形系数C_B	0.738 7	0.650 5
横摇惯性半径k_xx/B	0.40	0.40
纵摇惯性半径k_yy/L_pp	0.25	0.25
首摇惯性半径k_zz/L_pp	0.25	0.25

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1.2 坐标系

如图1所示,采用右手坐标系O-xyz为固定坐标系,xOy平面位于静水面,z轴垂直朝上,原点O位于大型邮轮尾垂线与静水面的交点处;O₁-x₁y₁z₁和O₂-x₂y₂z₂分别为固定在KCS和大型邮轮船体上的随体坐标系,方向与O-xyz平行,原点分别位于两船的船长中点处.本文基于相对运动原理,保持两船的船体平行且固定不动,来流以速度U从船首流向船尾,等效为两船在静水中保持一定的相对位置以相同航速U向前航行.两船中纵剖面的横向间距为η,两船船长中点的纵向间距为ξ,定义KCS船长中点位于大型邮轮船长中点之前的ξ为正值.X和Y分别为船体所受的纵向力和横向力,N为船体所受的转首力矩;为区分两船的水动力,以下标1表示KCS、下标2表示大型邮轮.

图1

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图1 坐标系

Fig.1 Coordinate systems

考虑船舶操纵性研究中比较关注的横向力和转首力矩,为便于比较分析,将其表示为以下无因次化的形式:

C_Y= $\frac{Y}{\frac{1}{2} ρ U^{2} L_{p p}^{2}}$ , C_N= $\frac{N}{\frac{1}{2} ρ U^{2} L_{p p}^{3}}$

其中:ρ为水的密度.两船分别以各自的参数和水动力数据进行无因次化.

1.3 计算工况

为探究两船在不同水深、航速及船-船相对位置情况下的水动力相互作用特性,本文针对不同工况开展了一系列研究.由于邮轮常需进出港口停靠,计算中分别考虑深水和浅水两种工况:深水工况水深h = 8 m,浅水工况水深h=0.247 5 m(水深吃水比h/T=1.5,其中T为大型邮轮吃水).两船的航速以船长弗劳德数Fr=U/ $\sqrt{g L_{p p}}$ 以及水深弗劳德数Fr_h=U/ $\sqrt{g h}$ 表示,L_pp取大型邮轮船长,g为重力加速度.依据大型邮轮的设计航速和日常运营航速,考虑Fr从0.06变化到0.14,共5种航速,对应深水工况的Fr_h从0.05变化到0.12,浅水工况的Fr_h从0.29变化到0.67.对于船舶之间的相对位置,本文参考船-船相互作用试验研究相关文献中的工况^[9],选取了4种横向距离和5种纵向距离:横向距离包括2~5倍邮轮船宽;纵向距离包括两船横向距离固定在2倍邮轮船宽时,KCS船从邮轮后方运动到邮轮前方的5个位置.深水和浅水条件总计24种工况,如表2所示;表中B为大型邮轮船宽.

表2 计算工况

Tab.2 Calculation conditions

算例编号	Fr	深水Fr_h	浅水Fr_h	η/B	ξ/m
Case1	0.10	0.08	0.48	2	-2
Case2	0.10	0.08	0.48	2	-1
Case3	0.10	0.08	0.48	2	0
Case4	0.10	0.08	0.48	2	1
Case5	0.10	0.08	0.48	2	2
Case6	0.10	0.08	0.48	3	0
Case7	0.10	0.08	0.48	4	0
Case8	0.10	0.08	0.48	5	0
Case9	0.06	0.05	0.29	2	0
Case10	0.08	0.07	0.39	2	0
Case11	0.12	0.10	0.58	2	0
Case12	0.14	0.12	0.67	2	0

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1.4 流动控制方程与湍流模型

计算中将船体周围流体流动视为不可压缩黏性流体的非定常流动.采用雷诺平均方法对湍流进行模拟,控制方程为以下雷诺平均连续性方程和雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS)方程:

(1)

\frac{\partial u_{i}}{\partial x_{i}}

(2)ρ

\frac{\partial u_{i}}{\partial t}

+ρu_j

\frac{\partial u_{i}}{\partial x_{j}}

=ρF_i-

\frac{\partial p}{\partial x_{i}}

\frac{\partial}{\partial x_{j}} (μ \frac{\partial u_{i}}{\partial x_{j}} - ρ \bar{u'_{i} u'_{j}})

式中:x_i为坐标分量;u_i为平均速度分量;p为平均压力;μ为动力黏性系数;F_i为体积力;-ρ $\bar{u'_{i} u'_{j}}$ 为雷诺应力项;t为时间.

为封闭控制方程,本文采用Realizable k-ε湍流模型^[10],该模型是对标准k-ε湍流模型的改进.k-ε湍流模型被使用了数十年,已经成为工业应用中使用最广泛的模型之一.Realizable k-ε湍流模型对于有旋均匀剪切流、自由流(射流和混合层)、腔道流动和边界层流动有更好的表现^[11].

1.5 计算域与边界条件

本文采用的计算域与边界条件如图2所示.以大型邮轮船长L_pp为参照,计算域长8L_pp,宽6L_pp,静水面以上高度为2L_pp,静水面以下计算域底部深度根据水深工况而定.两船体表面均为无滑移壁面边界;计算域上下前后边界面以及入流面均设为速度入口,忽略了岸壁对水动力性能的影响(假设岸壁离船体足够远);计算域出流面处流动认为已充分发展,将其设为压力出口边界.自由面的捕捉通过流体体积函数(Volume of Fluid, VOF)方法实现.计算域入口、出口及两侧边界面处设置人工阻尼消波,消波区长度为1.25L_pp.

图2

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图2 计算域与边界条件

Fig.2 Computational domain and boundary conditions

1.6 网格划分

计算网格的生成通过STAR-CCM+软件中的切割体网格生成器(Trimmed Cell Mesher,TCM)实现.生成的网格主要为六面体非结构化网格,在船体壁面附近为多面体切割网格.船体边界层通过棱柱层网格生成器(Prism Layer Mesher,PLM)生成,边界层网格有5层,增长率为1.5,表征边界层首层网格高度的y⁺值(无量纲壁面距离)控制在30以上,通过壁面函数求解近壁面流动.为了提高近壁面流场求解的精度,对船体表面进行了局部加密,特别是在船首和船尾区域采用更大的加密比.此外,对自由面附近的网格在垂向上进行了加密,对兴波区域在横向和纵向上进行了加密.船体表面和中横剖面处的网格情况如图3所示.

图3

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图3 船体表面和中横剖面处网格

Fig.3 Mesh distributions on hull surfaces and mid-ship sections

2 计算结果与分析

2.1 收敛性分析

为了保证CFD数值结果的可靠性,本文首先对计算模型进行网格收敛性分析和时间步长收敛性分析,选取表2中浅水Case3为典型工况,网格和时间步长的加密比取r= $\sqrt{2}$ ,分别针对3套系统加密的网格尺寸和时间步长来评估收敛性.由细到粗3套网格和时间步长对应的数值解都分别记为S₁、S₂、S₃;每两个相邻数值解之间的差值分别记为ε₂₁=S₂-S₁,ε₃₂=S₃-S₂;定义收敛比例R如下:

(3)R=

\frac{ε_{21}}{ε_{32}}

\frac{S_{2} - S_{1}}{S_{3} - S_{2}}

通过R值可以确定收敛类型:0<R<1时,单调收敛;R<0时,振荡收敛;R>1时,发散.另外,根据广义理查德森外推(Richardson Extrapolation, RE)方法,定义计算精度P和离散误差δ_RE为^[12]:

(4)P=

\frac{|l n |ε_{32} / ε_{21}||}{l n r}

(5)δ_RE=

\frac{ε_{21}}{r^{P} - 1}

在网格收敛性分析中,细网格数约为286万,中网格数约为139万,粗网格数约为78万,3套网格对应的计算结果S₁、S₂、S₃及网格收敛性分析参数如表3所示.其中,ω表示δ_RE与数值解S₁的比值.根据结果可以看出,随着网格的不断加密,KCS船的横向力及转首力矩振荡收敛,网格离散误差相对偏大;大型邮轮的横向力及转首力矩单调收敛,网格离散误差比KCS船的要小.

表3 网格收敛性分析

Tab.3 Mesh convergence analysis

水动力系数	S₃×10⁴	S₂×10⁴	S₁×10⁴	R	P	ω/%
C_Y₁	-1.308	-2.162	-1.769	-0.460	2.240	18.932
C_N₁	7.292	6.721	7.028	-0.537	1.794	-5.065
C_Y₂	8.640	8.339	8.320	0.063	7.964	0.015
C_N₂	-2.325	-2.402	-2.439	0.486	2.080	-1.453

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此外,基于中尺寸网格,分别采用3种时间步长,Δt₁=0.028 3 s,Δt₂=0.04 s,Δt₃=0.056 6 s,对浅水Case3典型工况进行计算,结果如表4所示.需要指出的是,表4中S₁对应的是最小时间步长Δt₁的数值结果.由计算结果可以看出,随着时间步长的逐渐变小,KCS船的横向力单调收敛,转首力矩振荡收敛,大型邮轮的横向力及转首力矩均单调收敛;两船的时间步长离散误差相比网格离散误差都小.在权衡计算成本和精度的基础上,后续研究均选用中网格尺寸和Δt₂时间步长.

表4 时间步长收敛性分析

Tab.4 Time-step convergence analysis

水动力系数	S₃×10⁴	S₂×10⁴	S₁×10⁴	R	P	ω/%
C_Y₁	-2.888	-2.162	-2.048	0.157	5.339	1.040
C_N₁	6.703	6.721	6.700	-1.185	0.490	1.709
C_Y₂	8.519	8.339	8.295	0.246	4.047	0.173
C_N₂	-2.337	-2.402	-2.429	0.427	2.453	0.845

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2.2 水动力计算结果分析

图4展示了计算得到的大型邮轮和KCS船体表面y⁺值.可以看到,y⁺值均满足大于30的要求,保证了近壁面求解的有效性.图5为浅水Case3典型工况下的自由面波形图,图中z为坐标系O-xyz中自由面在垂向上的坐标值.

图4

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图4 船体表面y⁺值

Fig.4 Value of y⁺ on hull surfaces

图5

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图5 典型工况(浅水Case 3)自由面波形图

Fig.5 Wave patterns on the free surface of a typical case (Case 3 in shallow water)

图6展示了深水中两船在不同纵向距离下的横向力和转首力矩.可以发现,邮轮和KCS的横向力在不同纵向位置下方向均相反(指向对方),表明两船在航行方向相同时,受船-船相互作用影响,两船会产生相吸的作用力.此外,当两船并排(纵向距离为0 m)航行时,两船受到的横向力最大;随着纵向距离的增大,两船受到的横向力减小,即水动力相互作用的影响减小.还可以看到,相对较小的KCS船受到的横向力更大,说明较小尺度的船舶受到的船-船相互作用影响更大.当两船并排时,邮轮受到的转首力矩为负,KCS受到的转首力矩为正,表明两船首部相斥,船尾相吸,并且此时的横向相吸力最大,故此时可能发生尾部相碰.当邮轮在KCS前方时,两船的转首力矩均为负;当邮轮在KCS后方时,两船的转首力矩均为正.

图6

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图6 深水中不同纵向距离下的横向力和转首力矩

Fig.6 Lateral forces and yaw moments at different longitudinal distances in deep water

图7给出了深水中两船在不同横向距离下的横向力和转首力矩,随着两船横向距离的增大,两船的横向吸力以及转首力矩都会逐渐减小,并趋近于0.图8给出了深水中两船在不同航速下的横向力和转首力矩.随着航速增大,两船所受的横向力逐渐增大,转首力矩则逐渐减小.总体而言,在深水中不同航速下,横向力和转首力矩的变化幅度不大.

图7

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图7 深水中不同横向距离下的横向力和转首力矩

Fig.7 Lateral forces and yaw moments at different transverse distances in deep water

图8

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图8 深水中不同航速下的横向力和转首力矩

Fig.8 Lateral forces and yaw moments at different speeds in deep water

图9展示了浅水中两船在不同纵向距离下的横向力和转首力矩;当邮轮在KCS前方时,二者受到的横向力方向相反,且表现为吸力.此时船体表面压力分布情况如图10所示,图中p_hull为船体表面压力值.由图可见,邮轮后半部分和KCS前半部分靠近对方的一侧有明显压力降低的区域,受到较大的侧吸力;当邮轮在KCS后方时,二者受到的横向力均为正,两条船均有向左舷移动的趋势.就图9中的转首力矩而言,随着邮轮的位置从KCS前方变到后方,两船受到的转首力矩均由负变正.当两船并排时,受到方向相反的转首力矩作用,KCS受到的转首力矩为正,大型邮轮受到的转首力矩为负,两船有尾部触碰的危险.类似地,图11给出了两船并排时船体表面的压力分布情况,两船靠近另一船的一侧都有明显的压降现象,且KCS船的压降更为显著,与图9中的现象一致:较小尺度的船受到更为明显的水动力作用.图12给出了邮轮在KCS船后方时两船的压力分布情况,可以看出:邮轮首部和KCS船尾部均有明显的压力降低区域,会导致两船首尾相吸,与图10所示规律类似;两船受到同向的转首力矩,在此时的纵向位置上,两船同向转首,即首尾相吸,极易导致碰撞事故,具有较大的危险性.

图9

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图9 浅水中不同纵向距离下的横向力和转首力矩

Fig.9 Lateral forces and yaw moments at different longitudinal distances in shallow water

图10

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图10 浅水中ξ = -2 m时船体表面压力(船底视图)

Fig.10 Pressure distributions on hull surfaces at ξ=-2 m in shallow water (bottom view)

图11

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图11 浅水中ξ=0 m时船体表面压力(船底视图)

Fig.11 Pressure distributions on hull surfaces at ξ=0 m in shallow water (bottom view)

图12

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图12 浅水中ξ=2 m时船体表面压力(船底视图)

Fig.12 Pressure distributions on the hull surfaces at ξ=2 m in shallow water (bottom view)

图13给出了浅水中两船在不同横向距离下的横向力和转首力矩.总体上看,随着两船横向距离的增大,两船的侧向吸力以及转首力矩都会逐渐减小,并趋向于0.但由于是浅水工况,船舶受到的横向力和转首力矩数值较大,且并不稳定,可能产生一些振荡.图14展示了浅水中两船在不同航速下的横向力和转首力矩.随着航速的增加,邮轮受到的横向力和转首力矩均逐渐变大,而KCS受到的横向力出现了方向和数值的明显变化,转首力矩逐渐变大.可以看出,在浅水中,相较于大型邮轮,KCS的侧向力和转首力矩对航速更为敏感,说明相对较小的KCS船的水动力特性更容易受到船-船水动力相互作用的影响.

图13

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图13 浅水中不同横向距离下的横向力和转首力矩

Fig.13 Lateral forces and yaw moments at different transverse distances in shallow water

图14

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图14 浅水中不同航速下的横向力和转首力矩

Fig.14 Lateral forces and yaw moments at different speeds in shallow water

对比深、浅水中两船受到的水动力和力矩的值(见图15~17)可以发现,浅水工况下两船受到的横向力和转首力矩要远大于深水中受到的横向力和转首力矩,且变化幅度更大.因此,在浅水域航行时,更应该注意船-船相互作用的影响,需预留足够的安全距离(纵向或横向)并保持航速在安全范围内.

图15

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图15 深、浅水中不同纵向距离下的横向力和转首力矩对比

Fig.15 Comparison of lateral forces and yaw moments at different longitudinal distances in deep and shallow water

图16

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图16 深、浅水中不同横向距离下的横向力和转首力矩对比

Fig.16 Comparison of lateral forces and yaw moments at different transverse distances in deep and shallow water

图17

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图17 深、浅水中不同航速下的横向力和转首力矩对比

Fig.17 Comparison of lateral forces and yaw moments at different speeds in deep and shallow water

3 结论

本文以模型尺度下的某大型邮轮和KCS集装箱船为研究对象,数值预报了深、浅水中的船-船水动力相互作用特性,比较了在不同纵向位置、横向位置以及航速下两船受到的横向力和转首力矩,得到的主要结论如下:

(1) 深水和浅水中,两船并排时侧向吸引力最大,受转首力矩影响,两船船尾相吸,有尾部相碰的危险;横向间距的减小会增大横向力和转首力矩;此外,航速越大,横向力和转首力矩也越大.

(2) 浅水中两船受到的横向力和转首力矩要远大于深水中两船受到的横向力和转首力矩,且相对尺度较小的船舶受到的横向力和转首力矩更容易受到船-船相互作用的影响,对航速也更为敏感.

此外,本文主要针对模型尺度下大型邮轮和KCS集装箱船的船-船相互作用问题开展研究,根据数值结果探讨大型邮轮与KCS船水动力相互作用的变化规律.研究中对水动力数据进行了无因次化处理;对实船而言,可以根据模型尺度的无因次化参数和水动力变化规律为实船的船-船相互作用以及安全航行提供一定参考.然而,由模型到实船不可避免地受到尺度效应的影响,因此,在下一步的研究中需要探讨实尺度下船-船水动力相互作用的数值预报问题.

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Mooring forces induced by passing ships

1974

... 迄今为止,已有许多关于船-船相互作用问题的研究.Remery^[1]通过物理试验方法,测量得到了浅水中系泊的油轮船模在另一艘驶过它附近的航行船模影响下所受的水动力作用,并分析了航行船的速度、排水体积、与系泊船的距离等因素对两船水动力特性的影响.Nandhini等^[2]使用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法研究了系泊船和航行船之间的相互作用水动力,并与前人的试验结果相比较,验证了数值模拟的可靠性.Wang等^[3]以散货船船模为研究对象,采用CFD方法研究了航行船在进出船闸过程中与附近停泊船的水动力相互作用,分析了船速、水深、停泊船舶位置等因素的影响.Xu等^[4]使用三维高阶面元法研究了两艘油轮在浅水中会遇和追越情况下的船-船相互作用,其计算结果经与试验值对比得到了验证.刘晓艳^[5]针对限制水域中两船会遇与超越问题,分别采用4种常规船型,研究了不同水深、船-岸间距、航速以及横向间距对船-船相互作用水动力的影响.Wnek等^[6]使用CFD方法研究了拖轮与油轮以不同横向距离在不同水深下平行前进时的相互作用力,并分别采用黏性流、无黏流、考虑自由面、不考虑自由面等不同的计算模型,分析了流体黏性和自由面对船-船相互作用的影响.文献[7-8]以KVLCC2和Aframax两条基准油轮船模为研究对象,采用不同的CFD方法模拟了浅水中油轮以不同横向、纵向位置驳运时船-船相互作用的复杂黏性流场,并分析了船体所受水动力和船体姿态的变化情况. ...

CFD simulation of the passing vessel effects on moored vessel

2020

Numerical study on hydrodynamic interaction between a berthed ship and a ship passing through a lock

2014

Numerical study on hydrodynamic interaction between two tankers in shallow water based on high-order panel method

2019

2016

CFD analysis of ship-to-ship hydrodynamic interaction

2018

URANS studies of ship-ship interactions in shallow-water

2011

Numerical predictions of ship-to-ship interaction in shallow water

2013

Model test based formulations of ship-ship interaction forces

2002

... 为探究两船在不同水深、航速及船-船相对位置情况下的水动力相互作用特性,本文针对不同工况开展了一系列研究.由于邮轮常需进出港口停靠,计算中分别考虑深水和浅水两种工况:深水工况水深h = 8 m,浅水工况水深h=0.247 5 m(水深吃水比h/T=1.5,其中T为大型邮轮吃水).两船的航速以船长弗劳德数Fr=U/

\sqrt{g L_{p p}}

以及水深弗劳德数Fr_h=U/

\sqrt{g h}

表示,L_pp取大型邮轮船长,g为重力加速度.依据大型邮轮的设计航速和日常运营航速,考虑Fr从0.06变化到0.14,共5种航速,对应深水工况的Fr_h从0.05变化到0.12,浅水工况的Fr_h从0.29变化到0.67.对于船舶之间的相对位置,本文参考船-船相互作用试验研究相关文献中的工况^[9],选取了4种横向距离和5种纵向距离:横向距离包括2~5倍邮轮船宽;纵向距离包括两船横向距离固定在2倍邮轮船宽时,KCS船从邮轮后方运动到邮轮前方的5个位置.深水和浅水条件总计24种工况,如表2所示;表中B为大型邮轮船宽. ...

A new k-ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows

1995

... 为封闭控制方程,本文采用Realizable k-ε湍流模型^[10],该模型是对标准k-ε湍流模型的改进.k-ε湍流模型被使用了数十年,已经成为工业应用中使用最广泛的模型之一.Realizable k-ε湍流模型对于有旋均匀剪切流、自由流(射流和混合层)、腔道流动和边界层流动有更好的表现^[11]. ...

CFD simulation of straight and slightly swirling turbulent free jets using different RANS-turbulence models

2015

Recommended procedures and guidelines, 7.5-03-01-01: Uncertainty analysis in CFD verification and validation, methodology and procedures

... 通过R值可以确定收敛类型:0<R<1时,单调收敛;R<0时,振荡收敛;R>1时,发散.另外,根据广义理查德森外推(Richardson Extrapolation, RE)方法,定义计算精度P和离散误差δ_RE为^[12]: ...

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