船舶操纵水动力导数的数值求解及敏感度分析

摘要

[目的]为了兼顾船舶操纵运动预报的成本与精度,基于数值计算方法,结合水动力导数敏感度分析,提出一种船舶操纵运动预报方法。[方法]首先,求解RANS方程,应用流体体积(VOF)法捕捉自由液面,采用动态网格方法对DTMB 5415船型进行约束运动的数值计算,并将回归得到的线性水动力导数与试验值进行对比,验证数值方案的有效性;然后,基于MMG分离建模方法建立DTMB 5415船模的操纵数学模型,并利用龙格-库塔算法进行求解,对船舶回转和Z形操纵运动进行仿真;最后,分析水动力导数对这2种操纵运动的敏感度。[结果]结果显示,采用所提方法得到的操纵轨迹和衡准参数仿真结果与试验结果一致,回转运动参数的平均误差为5.1%,Z形操纵运动参数的平均误差为11.7%,较文献使用CFD进行自航船模模拟得到运动参数的精度与计算成本均有所改善;水动力敏感度分析结果也验证了部分非线性水动力导数对操纵性衡准的影响较小,可以使用经验公式进行估算。[结论]研究表明采用所提方法进行船舶操纵性预报方法可行,可在满足工程应用精度的同时大大减少计算成本,尤其适用于船舶设计阶段的操纵性预报及优化。