波浪增阻预报的研究现状与未来展望_刘树魁.pdf

1刘树魁：波浪增阻预报的研究现状与未来展望2023年第3期总第204 期本 期 特 约波浪增阻预报的研究现状与未来展望刘树魁（南洋理工大学 机械与宇航工程学院 新加坡 6 3 9 7 9 8）摘 要：随着国际海事组织减少温室气体排放战略的稳步推进，波浪增阻预报成为近十多年来的热点研究课题之一。作为二阶波浪力，其成因既与船舶本身特征相关，又与其营运状态和海洋环境相关。由于存在各种限制，对其进行精确测定和数值预报均十分困难。该文阐述了各种波浪增阻预报方法的研究现状，包括实验方法、基于势流理论的方法、基于求解黏性方程的方法、半经验方法和数据驱动方法等，回顾和评述了各种方法的发展历程并展望了未来发展趋势；此外，基于半经验公式，文中展示了新型船舶各航速与各海况下的平均波浪增阻等值线图，该图表便于工程实践应用；最后，在充分讨论的基础上，提出了未来研究工作需重点关注的方向。关键词：波浪增阻；船舶耐波性；半经验公式；绕射效应；数值实验；绿色航运中图分类号：U661.73 文献标志码：A DOI：10.19423/ki.31-1561/u.2023.03.001State-of-the-Art in Predicting the Added Resistance of Ship Advancing in WavesLIU Shukui(School of Mechanical and Aerospace Engineering,Nanyang Technological University,Singapore 639798,Singapore)Abstract:Along with the advancement of the International Maritime Organizations strategy on reducing greenhouse gas emissions,the prediction of added resistance in waves has become a hot issue during the last decade.As a second-order wave force,the mechanism of added resistance in waves is not only related to the characteristics of the ship itself,but also to its operating conditions and marine environment.However,the experimental determination and numerical prediction of the added resistance in waves have remained a challenge due to various technical constraints.This study briefly presents the state-of-the-art of various methods for the prediction of the added resistance in waves by reviewing and commenting the development of various methods,such as experimental methods,potential flow methods,viscous flow methods,semi-empirical methods and data-driven methods.In addition,based on a newly developed semi-empirical formula,a new type of contour diagram of the average added resistance for a ship sailing at various speeds under various sea states is presented to facilitate engineering applications.Finally,the prime concern of the future research is proposed based on thorough discussion.Keywords:added resistance in waves;seakeeping;semi-empirical formula;wave diffraction effect;numerical experiment;green shipping收稿日期：2022-12-13；修回日期：2023-01-06作者简介：刘树魁（1982-），男，博士，讲师。研究方向：船舶水动力学、实海况下船舶性能分析、绿色航运等。0 引 言船舶在海洋中航行时，波浪的扰动及其诱发的船体运动会使船体遭受的阻力较在静水中有所增加，该部分增加的阻力称为波浪增阻。从工程实践角度看，波浪增阻会对船舶在实海况下的航速/功率、能耗及温室气体排放等性能产生重大影响。航速和油耗是考量船舶竞争力的传统指标，而温室2气体排放性能则在近年才被国际海事组织纳入考核指标，涵盖新船能效设计指数（energy efficiency design index,EEDI）、现有船舶能效指数（energy efficiency existing ship index,EEXI）和营运碳强度指标（carbon intensity indicator,CII）等1-3，直接影响到船舶的设计审批和市场评级，同船舶的市场竞争力息息相关。鉴于此，船东对运输船舶的航速性能要求越来越高，对船舶设计优劣的考核也从仅考核静水性能过渡为综合考虑静水与实海况性能4-7。其中，如何评估波浪对船舶实海况性能的影响是重要课题，如在船舶实船航速性能测试中，经常要对波浪的影响进行修正，以验证新造船所达到的指标是否满足合同与规范要求8-10。近年来，随着 EEDI 的正式执行，这个问题已引起船舶耐波性专家、设计工程师乃至整个航运界的普遍关注，该技术诉求也强力推动了波浪增阻预报理论和方法的进步。此外，在天气导航、航线优化等船舶营运问题中，也需要能对船舶在实海况所受增阻的准确预报方法。除此之外，在较高海况下，尤其需要特别考核船舶所能达到的航速，这涉及到船舶能否有效操舵，进而影响到船舶的航行安全。国际海事组织在这方面已经出台了相关指南,即最小安全推进功率要求11。在该问题中，需要对船舶在低航速和恶劣海况下所遭受的增阻进行估算12-13。这些新问题的出现也促使学者们加大了对波浪增阻的研究力度，而且由于这些工程问题涵盖了设计的审核、批准和验证，涉及到很多利益相关方，因此所应用的方法必须具备简单、透明等特征，而目前基于软件模拟结果的传统方法则并不适用。作为船舶耐波性范畴内的经典课题，从HAVELOCK14计算波浪中固定的垂直圆柱体所受到的定常力算起，人们对波浪增阻的研究至今已有八十几年的历史。在此期间，科研工作者建立了多种方法来预报船舶波浪增阻。一般而言，波浪增阻的预报基于耐波性预报结果，需要用到船体表面流场压力的解及船舶运动的预报结果。在线性理论的范围内，假定波幅为一阶小量，则船舶运动和速度势的幅值均为一阶小量，其乘积为二阶小量，故波浪增阻属于二阶力。相对于一阶力的预报，精确、稳定且可靠地预报二阶力的难度非常大。此外，耐波性问题中所关注的是运动幅值，而在预报波浪增阻时，关注的是其平均值。图 1 显示了水池实验中所测得的船舶在波浪中的升沉和纵摇运动及增阻的时历信号和增阻平均值。图 1 实验测得船舶在波浪中升沉和纵摇运动及增阻的时历信号和增阻平均值3刘树魁：波浪增阻预报的研究现状与未来展望2023年第3期总第204 期本 期 特 约波浪增阻虽然只是个阻力分量，但本质上是基于耐波性预报结果得出的物理量，故其预报方法的进展基本同船舶耐波性预报方法的进展一致15-16。在早期阶段，主要是现象上的观测，之后经历了从零航速到有航速、从二维切片法到三维面元法（格林函数法和简单源 Rankine 方法）、从基于势流理论的方法到基于求解黏性方程法（Reynolds-averaged Navier-Stokes equation,RANS）的过程。在这个过程中，水池实验提供了宝贵的验证数据，一些经验方法和解析方法也得到了发展，近年来还出现了一些数据驱动的方法。从另一个角度而言，早期的研究侧重于船舶运动对增阻的影响，关注波长和船长相当时的波浪增阻准确预报，主要是辐射问题。近年来，随着温室气体排放法规的引入和船舶的日益大型化，船舶在相对短波中的性能越发重要，研究工作的侧重点也逐渐涵盖到低海况（波长小于一半船长）下的波浪增阻预报17，这就涉及到（相对）短波中的绕射问题18、波浪谱及波浪增阻频率响应函数的重叠频带19。然而这项工作难度极大，因为造波机很难制造稳定的短波，而且也使目前使用的测量系统受到极大挑战，至今尚无充分的水池实验数据支持相关数值方法的开发和验证。传统上，一般认为波浪增阻仅占船舶总阻力中较小的部分，但这种观点并不全面。船舶静水阻力主要与船型、船速相关，而波浪增阻既与船型、船速相关，又与波浪特征相关，它们遵从不同的物理原理。在特定情况下，波浪增阻可能会比静水阻力高很多。比如：在恶劣海况下，船速较低，故静水阻力极小；而波幅很大，故波浪增阻极大。在船舶操纵性模拟中也有类似现象。本文首先简要回顾相关的实验和理论研究成果，并讨论各种方法近年来的进展及当前面临的挑战和机遇。在各种预报方法的开发和验证过程中，科研工作者一般关注船舶在规则波中增阻的准确预报，而对船舶在实海况下各种性能的研究，则需要用到船舶在一定海况下的平均波浪增阻。本文基于前期开发的半经验公式预报船舶在规则波中的增 阻20，使用标准波谱描述海况，通过双重积分得到船舶在各航速、各海况下的平均波浪增阻并生成等值线图，以便在工程实践中应用。1 实验研究：方法、挑战和进展长期以来，人们一直关注波浪对阻力和推进性能的影响。在早期研究中，由于没有合适的数值研究手段，很多工作都是基于实尺度和模型尺度实验观察。NAKAMURA21曾收集这些早期研究结果，并整理出 274 篇文献。其中早期的 1 项重要实验工作涉及到 UENO 等22-24开展的一系列单自由度强迫振荡运动实验，并通过分析实验结果引入经验公式来定量计算各自由度运动对波浪增阻的影响，实验结果显示纵摇运动对于波浪增阻的贡献最为显著。波浪增阻通常可通过测量静水中航行的阻力和波浪中航行的平均阻力之间的差异来获得，对实验精度要求很高，具体测量方法有多种。常用的拖航法中，船模和拖车一起前进，适航仪允许船模多自由度运动，同时使用测力元件测量船模受力。另一种是以自航实验法测量螺旋桨推力，这种方法又可分为常速法（强迫自航法）和常负荷法（纯粹自航法）。国际拖曳水池会议（international towing tank conference,ITTC）曾对该科目开展了深入讨论，基于多个成员单位对 60 系列船型的实验结果,对比了拖航法和自航法的优劣25。对于自航法，STRM-TEJSEN 等26曾讨论了常速法和常负荷法这 2 种方法。由于当时的实验研究多聚焦于迎浪状态，故更倾向于拖航法。对于斜浪中的实验，多年实践表明2 种方法各有千秋27。FUJII 等28测量了几艘实际船型在各浪向和航速下的波浪增阻，应用 MARUO 的方法计算船舶运动诱发的增阻，实验和数值结果的对比显示短波中的数值预报远低于实验值。他们据此推论，在（相对）短波中，艏部反射波诱发的增阻没有计入，需要引入短波经验修正。ADACHI29从理论上证明细长体理论难以准确预报涵盖反射（reflection）和透射（transmission）的绕射效应。为了改进短波中的增阻预报，后续开展的一些实验研究