快速双体船在加速前进运动中的阻力的数值与实验研究

《Computation》：Numerical and Experimental Studies on the Resistance of a Fast Catamaran in Accelerated Forward Speed Motion

　　

本文对全球首艘电池驱动、零排放高速双体船MS Medstraum在加速前进运动中的非定常阻力（unsteady resistance）进行了全面的数值与实验研究。这些研究表明，在傅汝德数（Froude number）约0.50（即所谓的波浪阻力最后驼峰）的特定速度范围内，对应的非定常阻力显著低于原本预期的值，即比在稳态阻力（steady resistance）基础上附加传统附加质量（added mass）项后的值低达40%。这一令人惊讶的结果可以通过实验阻力测试和计算流体动力学（CFD）计算，以及通过观察数值生成的波浪图案来解释。因此，在将传统方法应用于船舶加速或减速前进运动中的非定常阻力时必须谨慎。这正面影响了将船舶加速至全运营速度所需功率容量的估计。这导致（配备的）电池重量减少，并正面影响船舶的排水量（displacement），使船舶能够达到更高速度。本研究最终得出了对耐波性（seakeeping）和船舶操纵（ship maneuvering）仿真研究有意义的显著结果；即，对所研究的细长双体船进行的全面CFD模拟表明，在实际流动条件下计算的纵荡（surge）运动附加质量值比最初由理想势流理论（ideal flow potential theory）方法估计的高达六倍。

**论文解读：快速双体船加速前进运动阻力研究**

**研究背景**
传统上，船舶在加速前进运动中的非定常阻力（unsteady resistance）通过在稳态阻力（steady resistance）上附加附加质量（added mass）项进行估计。然而，该概念源于理想势流理论（ideal flow potential theory），未考虑自由表面（free surface）和黏性（viscous）效应。对于快速双体船，在傅汝德数（Froude number，Fn）约0.50——即波浪阻力（wave resistance）最后驼峰——附近，传统方法可能导致显著高估所需功率，进而增加电池重量、影响船舶排水量（displacement）和航速。为验证真实流体中非定常阻力的特性，研究人员以全球首艘电池驱动零排放高速双体船MS Medstraum为对象，结合数值模拟与实验开展了系统研究。该论文发表在《Computation》上。

**主要关键的技术方法**
研究人员采用HSVA开发的基于RANSE（Reynolds-averaged Navier–Stokes equations）的CFD求解器FreSCo+，使用k-ω SST湍流模型和流体体积法（VOF）处理多相流，并应用移动网格技术模拟恒定加速运动。实验在HSVA大型拖曳水池（300m长、18m宽、5.6m深）进行，使用缩尺1:5.6、长5.34m的模型测量稳态和加速运动下的阻力。为进一步评估附加质量，采用RANSE双体模拟（Double Body simulation，忽略自由表面）计算实际流动中的纵荡（surge）附加质量，并与NTUA开发的势流面板码NEWDRIFT结果及椭球体近似公式进行对比。

**研究结果**
（保留每个小标题）

**2. 加速前进运动中的船舶阻力**
研究人员回顾了传统附加质量概念，指出非定常阻力可近似为稳态阻力与附加质量力之和（式1），但该式在自由表面和黏性流体中需修正，尤其对于高速船舶。

**3. 计算设置与CFD研究**
建立了包含约570万单元的计算域，采用k-ω SST湍流模型和VOF方法。通过移动网格技术模拟恒定加速运动，并验证了时间步独立性。网格收敛性研究基于先前类似船型进行，结果通过与模型实验对比确认。

**4. 使用RANSE双体模拟的附加质量估计**
通过RANSE双体模拟（忽略自由表面），计算了三种加速度（0.2、0.5、0.8 m/s2）和三种速度（Fn=0.24、0.46、0.70）下的纵荡附加质量系数。平均附加质量比值（附加质量/船体质量）约为3.6%，而势流理论（NEWDRIFT，离散化2×411面板）仅得到约1%，椭球体近似公式也给出极低值。这表明黏性和自由表面效应显著增大了实际流动中的附加质量。

**5. 实验研究**
在HSVA进行模型试验，测量了稳态和加速运动下的总阻力系数。稳态阻力系数在Fn≈0.5处出现波阻峰值。加速试验中，研究人员观察到非定常阻力在Fn≈0.5区域明显低于稳态阻力，这一现象与预期相反而令人惊讶。

**6. CFD与模型实验的结果比较**
CFD与稳态实验阻力偏差小于5%。非定常阻力时程对比显示，两者在较低加速度的Fn≈0.5过渡区略有偏差，但整体吻合良好。通过分解总阻力、压力阻力（pressure resistance）和摩擦阻力（frictional resistance）分量，研究人员证实非定常阻力降低主要源于压力阻力（尤其是波浪诱导部分）的减小。CFD计算的波场图显示，加速运动中波浪系统在Fn≈0.5时相互作用减弱，波高降低，从而减少了波阻。传统附加质量概念（式1）在Fn≈0.5区域高估非定常阻力达40%（对于较高加速度率）。

**7. 结果讨论**
研究人员指出，传统附加质量概念失效是由于其未考虑自由表面和黏性效应；在Fn≈0.5处，波阻显著影响总阻力，附加质量项需为负值才能拟合实验结果（即出现负附加质量）。对于双体船构型，单体阻力对比实验表明该现象在单/双体船中均存在，但双体船中更显著，可能与片体间相互作用有关。实际流动中的附加质量值远高于势流理论，这对耐波性（seakeeping）和操纵性（maneuvering）仿真至关重要。

**总结讨论与结论翻译**
总结讨论部分强调，传统附加质量概念在Fn≈0.50区域完全失效，实际流动中附加质量高达势流理论值的六倍，这源于黏性和自由表面效应的综合影响。该发现对电池驱动船舶的功率容量设计和减重具有重要意义。

研究结论部分翻译如下：本文对快速电池驱动双体船加速前进运动中的特定水动力学现象进行了分析，包括：对已建快速双体船加速运动进行全面的实验和CFD研究；可视化不同船速下的复杂水动力学现象和波浪图案；对常用船舶水动力学研究（非定常阻力、耐波性和操纵性）中使用的附加质量概念进行批判性审查。论文表明，在使用传统方法处理船舶加速（或减速）前进运动中的非定常阻力时，即简单地在稳态运动阻力上附加附加质量项，必须谨慎。尤其是在傅汝德数约0.50附近及以上的运行速度，此处证明非定常阻力可能比稳态波浪和黏性阻力之和小达40%（对于测试的较高加速度率）。这一发现对于按固定航行时刻表运行、频繁加减速的电池驱动快速双体船的设计和运营尤为重要。这也显著影响电池容量和重量，而电池重量占船舶排水量的重要部分，且快速船的设计约束是尽可能降低重量。甚至，电池驱动零排放快速船舶的可行性可能曾受到质疑。该结果也可能适用于一般快速船，并有助于规划其需要克服傅汝德数0.50处波浪阻力最后驼峰的机械/推进单元。本研究的另一个显著结果，对耐波性和操纵性仿真研究也有意义，是通过CFD求解器计算了双体船在实际流动中的附加质量值，证明其远高于理想流动条件下的估计值（高达六倍）。尽管这一发现在船舶运动研究（耐波性）中定性已知，但针对各种船型尤其是非常细长船型的量化鲜有记录。将所得结果推广至一般快速船将需要对其他船型进行额外的数值和实验验证研究。然而，本文阐述的物理现象本质表明，关于附加质量概念在傅汝德数约0.50速度范围内失效以及实际黏性流中附加质量与理想流条件对比的量化结果将具有普遍有效性。