養殖無人船近岸航行的水動力數值計算

◎ 鄒遠停 曾綽璇 廣東海洋大學船舶與海運學院

1.前言

船舶在狹窄區域航行時受到船舶本身與水流、岸壁的相互作用，使船舶受到橫向力和轉首力矩的現象稱為岸壁效應，對船舶的航行狀態產生不利的影響，研究養殖無人船在近岸、傾斜河岸等復雜航行環境下的水動力性能，探究無人船對于無人養殖船設計提供指導，具有重要的現實意義。

隨著計算流體力學的高速發展，國內外許多學者都對船舶近岸航行的水動力性能展開研究，張科等[1]應用FLUENT軟件對KCS船沿傾斜河岸直線航行的水動力數值計算。姚建喜等[2]應用一階Rankine源面元法預報系列60船型近岸航行受到的橫向力和轉首力矩，并分析了船岸距離、岸壁傾斜角等參數的影響。張淋等[3]建立船舶操縱運動數學模型預報了Mariner船在淺狹航道中航行的操縱運動，通過對船舶在直航狀態下淺水及岸壁效應對船舶運動軌跡和航向的預報，根據結果得出淺水及岸壁效應對船舶在狹窄航道中的操縱性能的影響特性。劉明等[4]通過船模試驗和STARCCM+軟件數值模擬相結合的分析方法對船舶在岸壁效應主要影響因素下進行水動力性能研究，得出與內河狹窄航道船舶航行安全距離相關的水動力計算公式，通過該公式可以反向分析航行安全距離的影響機理。王化明[5]應用FLUENT軟件對幾種船型在淺峽航道中斜航、回轉以及近岸航行時的黏性流場進行數值模擬，計算了相關的水動力。郭焱[6]等應用全六面體網格進行離散，計算了KVLCC2船體在淺狹區域的直航和斜航運動的黏性流場。肖仲明等[7]選用嵌套網格計算了系列60船型在淺水區域航行中的岸壁效應粘性流場。張德興等[8]應用CFD方法探究吃水差因素對船舶的岸壁效應進行了數值模擬。

從前人的研究結果表明，船舶近岸航行會受到兩側水流的影響進而對船舶航行產生影響。養殖無人船目前被廣泛應用于漁業養殖監測、養殖投料等領域，航行受池塘、養殖水域本身環境影響。本文基于STAR-CCM+軟件，應用VOF界面捕捉技術搭配K-ω湍流模型，對養殖無人船的近岸壁航行情況進行模擬，探究船岸距離、岸壁形式等因素對養殖無人船航行影響。

2.數學模型

2.1 問題描述

如圖1所示，考慮無人船沿岸航行，采用右手直角坐標系O-xyz，其中xoy平面介于水和空氣兩種介質的交界面上，s為船岸距離，h為航道水深。

圖1 計算模型示意圖

2.2 控制方程

根據單相均質假設，將汽、液組成的混合介質看成一種變密度流體，并引入空化模型用于描述汽、液間質量交換。連續性方程和動量方程[9]可表示為：

式中：下標l和v分別代表液相和氣相，α為液相體積分數。

2.3 湍流模型

SSTk-ω模型由Menter[10]最先提出，在預測近壁區繞流和旋流方面有優勢，并具有較高精度和可信度。其湍動能k與比耗散率ω的輸運方程為：

其中，F1為混合方程，yy為邊界層中最內層的厚度，在邊界層中，F1趨向于1，此時表現為k-ω模型，在遠場區域，F1的取值接近0，則該模型表現為k-epsilon模型，以有效地規避k-ω模型對于入口處湍流的大小過于敏感這一問題。

3.幾何模型及驗證

3.1 幾何模型

本文的計算模型為某三體養殖無人船，該模型三維模型圖和中橫剖面圖分別見圖2和圖3，主尺度參數見表1。

表1 養殖無人船船型參數

圖2 養殖無人船的三維模型圖

圖3 養殖無人船的中橫剖面圖

3.2 計算域及邊界條件

計算域示意圖如圖4所示，無人船水線初始時刻在空氣和水分界面處。

圖4 計算域示意圖

1）進口邊界：距離艏部1.0LPP和距離船體甲板1.5LPP，設定為速度入口邊界條件。

2）出口邊界：距離艉部3.0LPP，設定為壓力出口邊界條件，并在壓力出口處設置為1.5LPP的阻尼消波區域。

3）左側面：距離船體2.0LPP，因其對船模周圍流場可忽略，將其設定為對稱邊界條件。

4）底部：距離船體2.0LPP，設定為速度進口邊界條件。

5）右側面：船體的右側設定為壁面邊界條件。

3.3 數值驗證

由于本研究的船型缺乏實船的試驗數據，本文選取標準船模KCS船型進行數值方法驗證[11]，首先進行網格無關性驗證，如圖5（a）為網格總數分別為100萬、150萬、200萬計算結果與實驗值結果比對，從結果表面，數值方法具有良好的收斂性。如圖5（b）為時間步長為0.01s、0.02s、0.03s計算結果與實驗值結果比對，從結果表明，數值方法具有良好的穩定性。

圖5 數值結果與實驗值結果比對

4.結果與討論

4.1 船岸距離的影響

本節主要開展船岸距離對船舶橫向力與轉首力矩的影響。如圖6（a）為弗勞德數分別為0.113、0.170、0.226、0.339下不同船岸距離對橫向力系數的影響，從圖中可以看出：在低速情況下，船舶所受到的橫向力系數整體表現出降低的趨勢，且船舶所受到的橫向力影響為橫向岸推力。船舶在低速情況下的橫向力受航速的影響并不明顯；而高速情況下時，船舶所受到的橫向力系數整體表現出增大的趨勢，且船舶在船岸距離小于0.15倍船長時所受到的橫向力影響為橫向岸吸力，船岸距離大于0.2倍船長時所受到的橫向力影響為橫向岸推力。可知船舶在高速情況下的橫向力的影響非常顯著，隨著船岸距離的增大，船舶橫向力的作用由岸吸力轉為岸推力。如圖6（b）為不同船岸距離對轉首力矩系數的影響，從圖中可以看出船舶所受到的轉首力矩受航速的影響不明顯，可忽略不計。船舶隨著船岸距離的增大所受到的轉首力矩系數整體表現出增加的趨勢，且船舶所受到的轉首力矩的影響是艏推力。

圖6 不同船岸距離對船舶水動力系數的影響

為更直觀的了解船岸距離對無人船流場的影響，本節選取了不同船岸距離下自由液面興波場進行比對。如圖7為弗汝德數分別為0.113、0.170、0.226、0.339下不同船岸距離對自由液面的影響，從圖中可以看出在低速情況下，船舶周圍的興波并不明顯，尾流與岸壁的作用忽略不計。而在高速情況下，船舶周圍的興波高度變化顯著，船岸距離為0.1倍船長時，船舶尾流與岸壁的作用最顯著。

圖7 不同船岸距離對自由液面的影響

4.2 航道水深影響

本節所使用的弗汝德數為0.339來開展航道水深對船舶橫向力與轉首力矩的影響。如圖8（a）為水深吃水比分別為2、3、4下不同水深吃水比對橫向力系數的影響，從圖中可以看出：在淺水航道情況下，船舶隨著船岸距離的增大所受到的橫向力系數整體表現出降低的趨勢，且船舶所受到的橫向力影響為橫向岸吸力；船舶在船岸距離小于0.2倍船長，水深吃水比大于3時，橫向力系數下降幅度最大。如圖8（b）為不同水深吃水比對轉首力矩系數的影響，從圖中可以看出隨著水深吃水比增大，船舶所受到的轉首力矩系數整體表現出增大的趨勢，且船舶受到轉首力矩的影響為艏吸力；當水深吃水比大于2，船舶在船岸距離小于0.2倍船長下所受到的轉首力矩系數最大。

圖8 不同航道水深對船舶水動力系數的影響

4.3 岸壁傾斜度影響

本節所使用的弗汝德數為0.339來開展岸壁傾斜度對船舶橫向力與轉首力矩的影響。如圖9（a）為岸壁傾斜角度分別為25°、45°、65°下不同船岸距離對橫向力系數，從圖中可以看出：在同一船岸距離的情況下，岸壁傾斜角度越大，船舶受到的橫向力系數整體表現增大的趨勢，且船舶所受到的橫向力影響為橫向岸吸力。船岸距離S為0.2m，岸壁傾斜角度為65°，船舶所受到的橫向力系數最大；船岸距離為0.4倍船長時，岸壁傾斜角度為25°，船舶所受到的橫向力系數非常小，可忽略不計。如圖9（b）為不同岸壁傾斜角度對轉首力矩系數的影響，從圖中可以看出隨著岸壁傾斜角度的增加，船舶所受到的轉首力矩系數整體表現出減小的趨勢，且船舶在船岸距離小于0.3倍船長時所受到的轉首力矩的影響為艏吸力，在船岸距離為0.4倍船長時所受到的轉首力矩影響為艏推力。

圖9 不同船岸距離對船舶水動力系數的影響

為更直觀地了解船岸距離對無人船流場的影響，本節選取了不同岸壁傾斜角度下自由液面興波場進行比對。如圖10為岸壁傾斜分別為25°、45°、65°下不同船岸距離對自由液面的影響，從圖中可以看出在岸壁傾斜角度為25°的情況下，船舶周圍的興波并不明顯，尾流與岸壁的作用并不明顯。而在岸壁傾斜角度大于45°的情況下，船舶的尾流與岸壁的作用隨著船岸距離的減小而增強，且岸壁傾斜角度為45°，船岸距離為0.1倍船長時，船舶尾流與岸壁的作用最顯著。

圖10 不同岸壁傾斜角度對自由液面的影響

5.結論

本文利用CFD數值模擬計算方法，對航速、水深以及岸壁傾斜角等影響參數的船舶岸壁效應進行了數值模擬，通過模擬結果得出了以上條件對船舶的岸壁效應的具體影響。

（1）當船舶在低速情況下，所受到的橫向力系數整體表現出降低的趨勢，且船舶所受的橫向力影響為橫向岸推力；而高速情況下時，船舶所受到的橫向力系數整體表現出增大的趨勢，且船舶在船岸距離小于0.15倍船長時所受到的橫向力影響為橫向岸吸力，船岸距離大于0.2倍船長時所受到的橫向力影響為橫向岸推力，船舶的橫向力作用方向受船舶高速的影響。隨著船岸距離的增大，船舶所受到的轉首力矩系數整體表現出增大的趨勢，且船舶所受的轉首力矩的影響是艏推力。

（2）當弗汝德數一定時，船舶隨著水深的增大而整體表現先增大后減小的趨勢，且船舶受到的橫向力為橫向岸推力。轉首力矩隨著岸壁距離的增加而減小的趨勢。船舶受到的轉首力矩作用影響為艏吸力。

（3）隨著岸壁傾斜角度增加，船舶受到的橫向力系數整體表現出增大的趨勢，且船舶所受到的橫向力影響為橫向岸吸力；而船舶所受到的轉首力矩系數整體表現出減小的趨勢，且船舶在船岸距離小于0.3倍船長時所受到的轉首力矩的影響為艏吸力，在船岸距離為0.4倍船長時所受到的轉首力矩影響為艏推力。岸壁傾斜角度為45°，船岸距離為0.1倍船長時，船舶尾流與岸壁的作用最顯著。