双轴船动态操纵中的船体伴流不对称性：基于CFD的新降阶模型构建与应用

《Applied Ocean Research》：Hull wake asymmetries in dynamic maneuvering for a twin-shaft ship: A new CFD informed formulation

本研究针对传统MMG模型对双轴船动态操纵工况下螺旋桨载荷不对称预测不足的问题，系统开展了基于RANS的CFD仿真与降阶建模工作。通过稳态漂移、纯横荡/纯艏摇等虚拟平面运动机构(VPMM)试验获取不同漂角下的推力、扭矩数据，构建了涵盖横荡速度(v)、艏摇速率(r)影响的伴流因子(wP)正弦型经验公式，有效量化了内/外舷螺旋桨的非对称载荷差异。经Z形操纵验证，该模型预测偏差小于10%，为复杂操纵工况下的推进性能评估提供了高精度计算工具。

　　

随着全球航运互联程度的提升，提升船舶经济性与环境友好性的需求日益迫切。对于现代双轴舰船而言，在紧急规避、狭水道转向等“非设计工况”下，船体与附体周围的流动特征会发生显著改变——尤其是左右两轴螺旋桨因来流条件差异产生的非对称载荷现象，直接影响推进系统的可靠性与操纵安全性。然而，传统基于泰勒展开的MMG（船舶操纵数学模型）框架虽将总力分解为船体(X_H,Y_H,N_H)、螺旋桨(X_P,Y_P,N_P)和舵(X_R,Y_{R,NR)分量，但对动态操纵中螺旋桨进速系数(JP)、推力系数(KT)、转矩系数(KQ)随漂角(β)变化的非对称响应缺乏精细刻画。既往研究如Inoue、Yoshimura等提出的单轴船伴流因子(wP)模型难以直接推广至双轴构型，而Matsumoto、Kim等人区分左右舷的经验公式未充分考虑动态运动的记忆效应，导致实际操纵预测精度受限。}

为此，Omotayo Oladele等人在《Applied Ocean Research》发表研究，以ONR Tumblehome双轴驱逐舰缩比模型为对象，开展系统性CFD模拟与降阶建模，旨在建立适用于通用操纵工况的双轴螺旋桨伴流预测模型，填补动态非对称载荷量化方法的空白。

关键技术方面，研究采用Siemens STAR-CCM+软件构建全船非结构化网格，包含背景域与船体周围重叠网格区域，设置边界层y⁺≈30以满足SST k-ε湍流模型要求；通过稳态漂移（β=0°~12°）、纯横荡（振幅B/4,B/6,B/8）及纯艏摇（振幅B/8）三类虚拟平面运动机构(VPMM)试验，获取自航条件下左右螺旋桨推力(T)、扭矩(Q)数据；基于推力/扭矩恒等法反推有效伴流因子(w_P)，结合最小二乘法拟合包含横荡等效漂角(β_v=v/u)、艏摇等效漂角(β_r=rx_P/u)的正弦型经验公式；最终通过7°/7° Z形操纵CFD仿真验证降阶模型(ROM)的准确性。

CFD模型的开发与验证：计算域设置为纵向[-2L,5L]、横向[-3L,3L]、垂向[-2L,L]（L为船长），重叠网格覆盖船体周围0.15L范围。网格敏感性分析表明基尺寸0.2m时阻力收敛误差<1%，y⁺>30后阻力变化可忽略。通过与IIHR波池、ITU-AN试验数据对比，Fr=0.1~0.25范围内阻力预测偏差<4%；螺旋桨敞水性能曲线与东京CFD研讨会试验数据最大偏差约7%，自航点转速523RPM与试验值538RPM差异<3%，验证了模型可靠性。

CFD结果与分析：稳态漂移试验显示，外舷（来流侧）螺旋桨因处于上游位置，推力与扭矩均高于内舷——β=12°时外舷推力较β=0°增加17%，内舷降低13%，与Coraddu、Guo等人的实船观测趋势一致。轴向速度云图揭示，β≥6°时舭龙骨涡与尾鳍脱落的涡结构对内舷盘面产生明显速度亏损，导致载荷差异加剧。动态试验中，纯横荡与纯艏摇运动均观察到推力/扭矩相对漂角的滞后环（hysteresis loop），振幅越大滞后越显著（B/4振幅下相位滞后达23.5°），证实螺旋桨载荷受运动历史影响，具有类Wagner效应的“记忆特性”。

降阶模型构建：整合三类试验数据，提出伴流因子公式：

wP(βv,βr)=asin(bvβv+brβr+d180π)+c

其中拟合系数a=0.04632，b_v=-7.314（横荡项权重），b_r=-6.061（艏摇项权重），c=0.1623，d=6.983。该模型仅需船舶瞬时运动参数(u,v,r)即可预测左右舷伴流，且通过对称性处理（左舷取正号、右舷取负号）统一描述双侧差异。

Z形操纵验证：对比CFD强制Z形轨迹仿真与降阶模型预测结果，推力系数(K_T)偏差3%~4%，扭矩系数(K_Q)偏差<4%。虽然CFD结果在t=6~8s和10~14s区间表现出更强的非线性（可能与螺旋桨旋转引起的瞬态扰动有关），但整体趋势高度一致，证明降阶模型具备工程实用精度。

研究表明，双轴船在动态操纵中伴随显著的螺旋桨非对称载荷现象，外舷螺旋桨承受更高负荷，内舷则受涡旋干扰导致效率下降。所提出的正弦型伴流降阶模型成功耦合了横荡与艏摇运动的影响，首次实现了对Z形等复杂机动中左右轴推力/扭矩差异的定量预测。值得注意的是，研究中发现的滞后效应揭示了动态来流下螺旋桨响应的非定常特性，未来需进一步引入相位修正项以提升大漂角工况精度。该模型为双轴舰船操纵-耐波一体化仿真提供了关键输入，对优化推进系统配置、预防轴系过载具有重要工程价值。