《Journal of Marine Science and Engineering》：The Numerical Assessment of the Wind Loads on a Post-Panamax Containership for Random Container Configurations
Carlo Giorgio Grlj,
Nastia Degiuli,
Ivana Marti? and
I Ketut Aria Pria Utama
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本研究针对超巴拿马型集装箱船的风载荷评估难题，通过计算流体动力学（CFD）模拟，系统研究了随机集装箱配置对船舶气动阻力的影响。结果表明，集装箱配置显著影响风载荷系数，与基于风洞试验的经验方法相比，本研究采用的CFD方法可提供更准确的预测。该工作为精确评估船舶燃料消耗和能源效率提供了重要的计算依据。
在浩瀚的海洋中，集装箱船是连接全球贸易的动脉。随着船舶尺寸不断增大，特别是超巴拿马型集装箱船的出现，其庞大的上层建筑和堆叠的集装箱在航行中形成了一个巨大的“帆”，使得风对船舶的影响越来越不容忽视。虽然空气阻力在船舶总阻力中所占比例相对较小，但对于集装箱船而言，其装载条件和集装箱的随机摆放方式会导致其迎风投影面积发生显著变化，从而使得风载荷产生大幅波动。这不仅会影响船舶的操纵性和航向控制，更会直接关系到燃料消耗的估算和运营效率的评估。传统的做法通常依赖于经验性的“海上裕度”来粗略估算这部分阻力，或者通过成本高昂、周期漫长的风洞试验来获取数据。随着计算能力的提升，能否利用数值模拟的方法，更快速、更经济、更准确地预测不同装载状况下的风载荷，成为船舶设计与运营规划中一个亟待解决的关键问题。为此，研究人员在《Journal of Marine Science and Engineering》上发表了这项研究，旨在通过先进的数值模拟技术，揭开随机集装箱配置对超巴拿马型集装箱船风载荷影响的神秘面纱。
为了回答上述问题，研究人员主要采用了计算流体动力学（CFD）这一核心数值模拟技术。具体而言，他们基于商业软件STAR-CCM+，采用了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程作为控制方程，并选用Realizable k-ε Two-Layer湍流模型来封闭方程，以模拟围绕一艘6750 TEU（标准箱）的超巴拿马型集装箱船的复杂气流。所有模拟均在实船尺度和开阔海域条件下进行，以尽可能贴近真实航行环境。研究评估了多种随机生成的集装箱配置方案，并将计算得到的风载荷（包括力和力矩）按照国际拖曳水池会议（ITTC）的建议，转化为无量纲的风载荷系数。为了验证数值结果的可靠性，研究人员将CFD模拟的结果与两种广泛使用的、基于系统化风洞试验数据的经验方法（Blendermann方法和Isherwood方法）进行了对比分析。
2.1. 数学背景
研究使用的数学模型基于质量与动量守恒定律推导出的RANS方程。对于不可压缩、非定常流动，控制方程包括连续性方程和动量方程。其中，动量方程包含了由速度脉动引起的雷诺应力项，本研究通过湍流模型对其进行模化。流体的本构关系通过牛顿流体的应力-应变关系进行描述。
3. 结果与讨论
本研究的主要结果和结论如下：
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集装箱配置的显著影响：通过对比不同随机集装箱配置下的模拟结果，研究发现集装箱在甲板上的堆放方式（即配置）会显著改变船体的气动外形，从而导致纵向、横向风载荷系数以及偏航力矩系数发生明显变化。这证实了在评估大型集装箱船风载荷时，考虑具体装载情况的必要性，而不能仅仅依靠一个固定的经验值。
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CFD方法与经验方法的对比：将CFD模拟计算得到的风载荷系数与Blendermann和Isherwood两种经验方法估算的结果进行对比。结果显示，CFD方法能够捕捉到因集装箱配置细节不同而产生的风载荷差异，而这些细节差异在基于统计回归的经验方法中往往被平滑或忽略。在某些风舷角下，CFD结果与经验方法存在可观测的偏差，突显了基于具体几何进行精确模拟的价值。
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Realizable k-ε Two-Layer模型的适用性：在模拟此类包含复杂几何结构（如集装箱堆叠产生的锐利边缘和分离流）的外流场问题时，采用的Realizable k-ε Two-Layer湍流模型表现出较好的稳健性和计算效率，能够为工程应用提供可信的预测结果。
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对船舶设计的启示：研究结果强调，在船舶设计阶段，特别是针对大型集装箱船，采用CFD工具对多种可能的装载工况进行风载荷评估，可以优化上层建筑和集装箱绑扎系统的设计，从而潜在降低运营中的空气阻力，提升能效。
本研究通过系统的数值模拟，明确了随机集装箱配置对超巴拿马型集装箱船风载荷系数的重要影响。与基于风洞试验数据库的传统经验方法相比，采用RANS方程结合Realizable k-ε Two-Layer湍流模型的CFD方法，能够更细致地反映船舶具体几何特征对气流的影响，从而提供更准确的风载荷预测。这项工作不仅证实了CFD在船舶空气动力学分析中的有效性和实用性，也为船舶设计师和运营者提供了重要的工具和见解。它意味着，未来在评估船舶能效指数（EEXI）、碳强度指标（CII）或进行航速-油耗优化时，可以将风载荷从一個粗略的估算值提升为一个基于具体装载计划的、可精确计算的变量。这对于在日益严格的环保法规下，实现船舶运输的绿色化和精细化运营具有重要的理论和实践意义。尽管本研究取得了有意义的结论，作者也指出，未来可以通过纳入更多样的集装箱配置、更宽的风舷角范围以及考虑船舶与水面的相对运动（气动-水动力耦合）来进一步扩展和深化该研究。
