方位推进器驱动平台补给船的转向运动的数值模拟与实验研究

《Results in Engineering》：Numerical simulation and experimental study on the turning motion of azimuth thruster-driven platform supply vessel

本研究针对77.66米 azimuth thruster驱动平台供应船（PSV），利用STAR-CCM+软件开展平面运动机制（PMM）实验和开 water实验，推导 hull与双推进器的水动力系数，建立包含船体与推进器交互效应的数学模型，验证显示数值误差（10%）低于实验条件中风速2m/s的影响范围，为船舶设计提供高效CFD替代方案。

　　本研究聚焦于利用计算流体力学（CFD）技术分析一艘77.66米长的配备方位推进器的平台供应船（PSV）的操纵特性。通过STAR-CCM+软件，研究者进行了平面运动机制（PMM）实验和开放水域实验，以获取船舶的水动力系数。同时，提出了一种新的数学模型，用于预测PSV的操纵性能，并与实验数据进行对比验证。研究结果表明，数值计算误差均小于10%，这主要归因于实验过程中存在2米/秒的风浪干扰，而这些因素在数值模拟中未被考虑。因此，误差范围是可接受的。本研究的数值方法为使用CFD得出的流体动力学系数作为传统模型测试的替代方案提供了有效支持，从而为船舶设计中的方位推进器应用提供了更高效、更经济的解决方案。

在现代海洋工程领域，方位推进器驱动的船舶逐渐成为传统螺旋桨舵系统的一种更优替代方案。相较于传统系统，方位推进器能够提供更高的操纵性、操作灵活性以及空间利用率。传统推进系统通常依赖于机舱内的动力传输，这往往导致效率较低和空间受限。而方位推进器则优化了机舱的使用，提高了船舶的载货能力，同时改善了动态定位和转向性能。这种改进不仅增强了船舶的操作安全性，还减少了靠泊时间与燃油消耗，从而有助于降低运输成本。

自1980年代方位推进器驱动的船舶引起广泛关注以来，各种类型的船舶逐步配备了这种推进系统。学者们围绕船舶操纵性进行了多维度的研究。Sutulo和Guedes Soares分析了安全标准，并评估了国际海事组织（IMO）关于船舶操纵性的规范。Kim等人测试了方位推进器性能及附件对航向稳定性的影响。Ni等人开发了一种避碰导航系统。Delefortrie和Vantorre探讨了船体高度对操纵性的影响。Liu等人提出了基准操作动作和内河船舶指南。Lee等人模拟并验证了拖网渔船的操控性能。Pires da Silva等人使用了三自由度模型以解决船舶模型的不确定性。Piaggio等人则对方位推进器驱动作业船进行了广泛研究。

随着计算机技术的不断发展，CFD技术在船舶建造领域的应用越来越广泛。许多学者在船舶操纵模型识别、水动力系数、螺旋桨后方舵的性能、流体力学以及航行性能预测等方面进行了数值模拟研究。例如，Hajivand和Mousavizadegan在CFD环境中进行了操纵性偏航测试，以获取DTMB 5512模型的线性和非线性速度相关阻尼系数。Kwon等人则利用自由运行的数值模拟验证了自推进点搜索中的比例、积分和微分控制常数。此外，一些学者专注于全尺寸船舶的水动力性能，并对其准确性进行了分析。

为了提升计算效率并保持物理意义，研究采用了中性角作为基准配置。该方法通过STAR-CCM+进行数值模拟，对不同偏航角度和进流速度进行了系统研究。通过详细的流场观察，特别关注了实际进流角度与螺旋桨中心轴之间的关系。这种参考轴为量化不同进流条件下的水动力相互作用提供了基础。同时，研究还对螺旋桨的推进特性进行了数值模拟，并通过MATLAB进行了多元回归分析，以确定螺旋桨在不同偏航角度和进流速度下的推力和侧向力。

研究结果表明，水动力相互作用系数和水动力系数的数值模拟与实验数据之间存在良好的一致性。通过对全尺寸船舶模型的分析，研究获得了船体的水动力系数，这些系数为船舶设计优化提供了重要依据。同时，螺旋桨在双螺旋桨系统中的相互作用也被详细研究，这些数据为推进系统提升和操作性能优化提供了技术支持。

通过实验和数值模拟的对比分析，研究发现虽然数值模拟结果与实验数据之间存在一定的误差，但误差均控制在10%以内，这在工程实践中是可以接受的。研究还指出，目前国际海事组织（IMO）尚未制定针对方位推进器驱动的海洋工程船舶的技术规范。因此，本研究探索了符合国际标准的等效标准，即MSC.137(76)文件中规定的方位推进器驱动平台供应船的操纵性标准。

此外，研究还对全尺寸船舶的转向圆测试进行了分析。测试区域位于南海的海南岛西北海域，水深在35至45米之间。测试过程中，环境条件为2米/秒的南风，螺旋桨保持恒定的170转/分钟的转速。测试结果表明，数值模拟与实验数据在转向圆直径方面存在一定的差异，但误差均控制在10%以内。研究进一步分析了船舶在不同转向角度下的操纵性指标，如战术直径（DT）、稳定转向直径（DS）、推进和转移参数，发现数值模拟与实验数据在多种航行条件下具有良好的一致性。

尽管数值模拟未考虑风浪等外部因素的影响，但研究结果表明，这些因素对关键性能指标的影响相对较小。未来的研究可以进一步探讨风浪等外部因素对船舶与螺旋桨相互作用的具体影响，以提升数值模拟的准确性。通过本研究，不仅获得了方位推进器驱动船舶的水动力系数，还验证了所提出的数学模型的有效性，为船舶设计和操纵性研究提供了重要参考。