养殖无人船近岸航行的水动力数值计算

◎ 邹远停 曾绰璇 广东海洋大学船舶与海运学院

船舶在狭窄区域航行时受到船舶本身与水流、岸壁的相互作用，使船舶受到横向力和转首力矩的现象称为岸壁效应，对船舶的航行状态产生不利的影响，研究养殖无人船在近岸、倾斜河岸等复杂航行环境下的水动力性能，探究无人船对于无人养殖船设计提供指导，具有重要的现实意义。

随着计算流体力学的高速发展，国内外许多学者都对船舶近岸航行的水动力性能展开研究，张科等[1]应用FLUENT软件对KCS船沿倾斜河岸直线航行的水动力数值计算。姚建喜等[2]应用一阶Rankine源面元法预报系列60船型近岸航行受到的横向力和转首力矩，并分析了船岸距离、岸壁倾斜角等参数的影响。张淋等[3]建立船舶操纵运动数学模型预报了Mariner船在浅狭航道中航行的操纵运动，通过对船舶在直航状态下浅水及岸壁效应对船舶运动轨迹和航向的预报，根据结果得出浅水及岸壁效应对船舶在狭窄航道中的操纵性能的影响特性。刘明等[4]通过船模试验和STARCCM+软件数值模拟相结合的分析方法对船舶在岸壁效应主要影响因素下进行水动力性能研究，得出与内河狭窄航道船舶航行安全距离相关的水动力计算公式，通过该公式可以反向分析航行安全距离的影响机理。王化明[5]应用FLUENT软件对几种船型在浅峡航道中斜航、回转以及近岸航行时的黏性流场进行数值模拟，计算了相关的水动力。郭焱[6]等应用全六面体网格进行离散，计算了KVLCC2船体在浅狭区域的直航和斜航运动的黏性流场。肖仲明等[7]选用嵌套网格计算了系列60船型在浅水区域航行中的岸壁效应粘性流场。张德兴等[8]应用CFD方法探究吃水差因素对船舶的岸壁效应进行了数值模拟。

从前人的研究结果表明，船舶近岸航行会受到两侧水流的影响进而对船舶航行产生影响。养殖无人船目前被广泛应用于渔业养殖监测、养殖投料等领域，航行受池塘、养殖水域本身环境影响。本文基于STAR-CCM+软件，应用VOF界面捕捉技术搭配K-ω湍流模型，对养殖无人船的近岸壁航行情况进行模拟，探究船岸距离、岸壁形式等因素对养殖无人船航行影响。

2.1 问题描述

如图1所示，考虑无人船沿岸航行，采用右手直角坐标系O-xyz，其中xoy平面介于水和空气两种介质的交界面上，s为船岸距离，h为航道水深。

图1 计算模型示意图

2.2 控制方程

根据单相均质假设，将汽、液组成的混合介质看成一种变密度流体，并引入空化模型用于描述汽、液间质量交换。连续性方程和动量方程[9]可表示为：

式中：下标l和v分别代表液相和气相，α为液相体积分数。

2.3 湍流模型

SSTk-ω模型由Menter[10]最先提出，在预测近壁区绕流和旋流方面有优势，并具有较高精度和可信度。其湍动能k与比耗散率ω的输运方程为：

其中，F1为混合方程，yy为边界层中最内层的厚度，在边界层中，F1趋向于1，此时表现为k-ω模型，在远场区域，F1的取值接近0，则该模型表现为k-epsilon模型，以有效地规避k-ω模型对于入口处湍流的大小过于敏感这一问题。

3.1 几何模型

本文的计算模型为某三体养殖无人船，该模型三维模型图和中横剖面图分别见图2和图3，主尺度参数见表1。

表1 养殖无人船船型参数

图2 养殖无人船的三维模型图

图3 养殖无人船的中横剖面图

3.2 计算域及边界条件

计算域示意图如图4所示，无人船水线初始时刻在空气和水分界面处。

图4 计算域示意图

1）进口边界：距离艏部1.0LPP和距离船体甲板1.5LPP，设定为速度入口边界条件。

2）出口边界：距离艉部3.0LPP，设定为压力出口边界条件，并在压力出口处设置为1.5LPP的阻尼消波区域。

3）左侧面：距离船体2.0LPP，因其对船模周围流场可忽略，将其设定为对称边界条件。

4）底部：距离船体2.0LPP，设定为速度进口边界条件。

5）右侧面：船体的右侧设定为壁面边界条件。

3.3 数值验证

由于本研究的船型缺乏实船的试验数据，本文选取标准船模KCS船型进行数值方法验证[11]，首先进行网格无关性验证，如图5（a）为网格总数分别为100万、150万、200万计算结果与实验值结果比对，从结果表面，数值方法具有良好的收敛性。如图5（b）为时间步长为0.01s、0.02s、0.03s计算结果与实验值结果比对，从结果表明，数值方法具有良好的稳定性。

图5 数值结果与实验值结果比对

4.1 船岸距离的影响

本节主要开展船岸距离对船舶横向力与转首力矩的影响。如图6（a）为弗劳德数分别为0.113、0.170、0.226、0.339下不同船岸距离对横向力系数的影响，从图中可以看出：在低速情况下，船舶所受到的横向力系数整体表现出降低的趋势，且船舶所受到的横向力影响为横向岸推力。船舶在低速情况下的横向力受航速的影响并不明显；
而高速情况下时，船舶所受到的横向力系数整体表现出增大的趋势，且船舶在船岸距离小于0.15倍船长时所受到的横向力影响为横向岸吸力，船岸距离大于0.2倍船长时所受到的横向力影响为横向岸推力。可知船舶在高速情况下的横向力的影响非常显著，随着船岸距离的增大，船舶横向力的作用由岸吸力转为岸推力。如图6（b）为不同船岸距离对转首力矩系数的影响，从图中可以看出船舶所受到的转首力矩受航速的影响不明显，可忽略不计。船舶随着船岸距离的增大所受到的转首力矩系数整体表现出增加的趋势，且船舶所受到的转首力矩的影响是艏推力。

图6 不同船岸距离对船舶水动力系数的影响

为更直观的了解船岸距离对无人船流场的影响，本节选取了不同船岸距离下自由液面兴波场进行比对。如图7为弗汝德数分别为0.113、0.170、0.226、0.339下不同船岸距离对自由液面的影响，从图中可以看出在低速情况下，船舶周围的兴波并不明显，尾流与岸壁的作用忽略不计。而在高速情况下，船舶周围的兴波高度变化显著，船岸距离为0.1倍船长时，船舶尾流与岸壁的作用最显著。

图7 不同船岸距离对自由液面的影响

4.2 航道水深影响

本节所使用的弗汝德数为0.339来开展航道水深对船舶横向力与转首力矩的影响。如图8（a）为水深吃水比分别为2、3、4下不同水深吃水比对横向力系数的影响，从图中可以看出：在浅水航道情况下，船舶随着船岸距离的增大所受到的横向力系数整体表现出降低的趋势，且船舶所受到的横向力影响为横向岸吸力；
船舶在船岸距离小于0.2倍船长，水深吃水比大于3时，横向力系数下降幅度最大。如图8（b）为不同水深吃水比对转首力矩系数的影响，从图中可以看出随着水深吃水比增大，船舶所受到的转首力矩系数整体表现出增大的趋势，且船舶受到转首力矩的影响为艏吸力；
当水深吃水比大于2，船舶在船岸距离小于0.2倍船长下所受到的转首力矩系数最大。

图8 不同航道水深对船舶水动力系数的影响

4.3 岸壁倾斜度影响

本节所使用的弗汝德数为0.339来开展岸壁倾斜度对船舶横向力与转首力矩的影响。如图9（a）为岸壁倾斜角度分别为25°、45°、65°下不同船岸距离对横向力系数，从图中可以看出：在同一船岸距离的情况下，岸壁倾斜角度越大，船舶受到的横向力系数整体表现增大的趋势，且船舶所受到的横向力影响为横向岸吸力。船岸距离S为0.2m，岸壁倾斜角度为65°，船舶所受到的横向力系数最大；
船岸距离为0.4倍船长时，岸壁倾斜角度为25°，船舶所受到的横向力系数非常小，可忽略不计。如图9（b）为不同岸壁倾斜角度对转首力矩系数的影响，从图中可以看出随着岸壁倾斜角度的增加，船舶所受到的转首力矩系数整体表现出减小的趋势，且船舶在船岸距离小于0.3倍船长时所受到的转首力矩的影响为艏吸力，在船岸距离为0.4倍船长时所受到的转首力矩影响为艏推力。

图9 不同船岸距离对船舶水动力系数的影响

为更直观地了解船岸距离对无人船流场的影响，本节选取了不同岸壁倾斜角度下自由液面兴波场进行比对。如图10为岸壁倾斜分别为25°、45°、65°下不同船岸距离对自由液面的影响，从图中可以看出在岸壁倾斜角度为25°的情况下，船舶周围的兴波并不明显，尾流与岸壁的作用并不明显。而在岸壁倾斜角度大于45°的情况下，船舶的尾流与岸壁的作用随着船岸距离的减小而增强，且岸壁倾斜角度为45°，船岸距离为0.1倍船长时，船舶尾流与岸壁的作用最显著。

图10 不同岸壁倾斜角度对自由液面的影响

本文利用CFD数值模拟计算方法，对航速、水深以及岸壁倾斜角等影响参数的船舶岸壁效应进行了数值模拟，通过模拟结果得出了以上条件对船舶的岸壁效应的具体影响。

（1）当船舶在低速情况下，所受到的横向力系数整体表现出降低的趋势，且船舶所受的横向力影响为横向岸推力；
而高速情况下时，船舶所受到的横向力系数整体表现出增大的趋势，且船舶在船岸距离小于0.15倍船长时所受到的横向力影响为横向岸吸力，船岸距离大于0.2倍船长时所受到的横向力影响为横向岸推力，船舶的横向力作用方向受船舶高速的影响。随着船岸距离的增大，船舶所受到的转首力矩系数整体表现出增大的趋势，且船舶所受的转首力矩的影响是艏推力。

（2）当弗汝德数一定时，船舶随着水深的增大而整体表现先增大后减小的趋势，且船舶受到的横向力为横向岸推力。转首力矩随着岸壁距离的增加而减小的趋势。船舶受到的转首力矩作用影响为艏吸力。

（3）随着岸壁倾斜角度增加，船舶受到的横向力系数整体表现出增大的趋势，且船舶所受到的横向力影响为横向岸吸力；
而船舶所受到的转首力矩系数整体表现出减小的趋势，且船舶在船岸距离小于0.3倍船长时所受到的转首力矩的影响为艏吸力，在船岸距离为0.4倍船长时所受到的转首力矩影响为艏推力。岸壁倾斜角度为45°，船岸距离为0.1倍船长时，船舶尾流与岸壁的作用最显著。

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