使用BEM/RANS耦合方法对KVLCC2-SP819系统的有效尾流和螺旋桨空化现象进行数值预测

《Ocean Engineering》：Numerical prediction of effective wake and propeller cavitation for the KVLCC2-SP819 system using a BEM/RANS coupling method

本研究采用BEM/RANS耦合方法预测KVLCC2船体后SP819螺旋桨的有效尾流和空化特性，验证其在非均匀流中的有效性，并与实验及全三维RANS结果一致，为船舶设计初期提供高效预测工具。

　　

Seungnam Kim|Taegoo Lee|Guangyao Wang

韩国弘益大学船舶与海洋工程系海洋工程小组

摘要

在本研究中，应用了一系列数值方法来预测安装在KVLCC2船体上的SP819螺旋桨的有效尾流和空化特性。首先使用边界元素法（BEM）分析了SP819在开阔水中的性能，随后采用耦合的BEM/雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法来捕捉船体-螺旋桨相互作用，并预测船尾条件下的有效尾流。预测的有效尾流场作为非稳态BEM模拟的关键输入，用于模拟瞬态空化动力学。结果表明，所提出的耦合方法能够有效再现螺旋桨在非均匀来流条件下的稳态开阔水性能和非稳态流体动力响应。研究捕捉到了空间变化的尾流对叶片环流、尾流排列和力波动的影响，表明叶片周期性穿过尾流不足区和加速来流区控制了片状空化的起始、发展和消亡。耦合的BEM/RANS预测结果与三星船舶模型水池的实验测量结果以及全三维RANS模拟结果在螺旋桨载荷和片状空化的时间演变方面具有合理的一致性。因此，这种方法对于在计算效率高的情况下预测现代船舶实际螺旋桨-船体相互作用条件下的螺旋桨性能非常有用，特别是在船舶设计的早期阶段。

引言

准确预测有效尾流在船舶流体动力学中至关重要，因为它包含了螺旋桨工作所经历的来流条件的关键信息，从而影响整个推进器的性能，包括空化行为。在船尾条件下，尾流受到船体边界层、流动分离、突出物和螺旋桨诱导的涡流之间的相互作用显著影响（Xing等人，2012年）。因此，可靠预测有效尾流对于螺旋桨设计、空化评估和船舶设计早期的船体-螺旋桨优化至关重要（Regener等人，2018年；Rijpkema等人，2013年）。传统上，通过拖曳水池实验结合螺旋桨开阔水试验和船体阻力测量来评估尾流特性，并基于推力恒等式进行分析。尽管实验方法提供了有价值的基准数据，但它们通常成本较高（特别是对于没有专用设施的机构而言），耗时较长，并且难以解析尾流的非稳态和三维特性。在许多实验研究中，主要测量的是标称尾流，通常是通过拖曳无螺旋桨的船体获得的（Sun等人，2019年）。尽管这种方法提供了关于船体后方全局来流分布的有用信息，但它仍然缺乏螺旋桨与船体之间的相互作用（Farkas等人，2019年；Mikkelsen等人，2022年）。由于有效尾流本质上反映了这些相互作用效应，因此它被视为准确预测运行中螺旋桨性能的先决条件。然而，在船尾条件下直接测量有效尾流仍然具有挑战性，因为它需要在靠近旋转螺旋桨的地方放置专用仪器，例如先进的粒子图像测速（PIV）或激光多普勒风速计（LDA）系统（Longo等人，2007年；Shin等人，2020年）。因此，即使标称尾流可能与实际控制螺旋桨来流的有效尾流不同，它仍常被用作实际替代方案。

在这种背景下，基于计算流体动力学（CFD）的数值方法受到了越来越多的关注。特别是基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）的方法已被广泛用于模拟各种船舶和螺旋桨配置的标称尾流，通常与实验数据有很好的一致性（Can等人，2020年；Farkas等人，2019年；Mikkelsen等人，2022年；Regener等人，2018年）。虽然完全解析的CFD模拟相比纯实验方法具有多种优势，但它们主要仍提供关于标称尾流的信息，因为大多数模拟将螺旋桨和船体分开处理。为了在保持CFD实际优势的同时能够预测有效尾流，已经开发了几种混合方法，将势流求解器与RANS求解器相结合（Gaggero等人，2017年；Jin等人，2023年；Kim和Kinnas，2022a；Kim和Kinnas，2022b；Rijpkema等人，2013年；Starke和Bosschers，2012年）。在耦合框架内，先前的工作引入了基于执行器的模型，如执行器盘、执行器线或表面表示，其中螺旋桨通过分布的体力场而不是显式解析的叶片几何形状来建模。这些方法已广泛应用于潮汐涡轮机和船舶螺旋桨的应用中（Du和Kinnas，2019年）。除了执行器模型外，还使用了边界元素方法（BEMs）和涡格方法（VLMs）来更好地保持螺旋桨叶片的三维几何形状（Su和Kinnas，2017年；Tian等人，2014年）；通过显式解析叶片表面，这些方法可以比简化的执行器表示更准确地捕捉叶片载荷分布和尾流演变。尽管势流方法非常适合开放水条件下螺旋桨的流体动力学分析，但它们无法考虑船体-螺旋桨相互作用和船尾条件下尾流发展的高粘性效应。相比之下，RANS求解器可以在实际足够的程度上解析粘性船体流动，尽管计算成本较高。这两种方法是互补的，结合使用时可以相互弥补各自的缺点，为预测船体-螺旋桨相互作用和产生的有效尾流提供了一个有效的框架。螺旋桨载荷使用低阶BEM计算，并作为体力或等效动量源纳入RANS方程中，从而能够在不进行完全解析旋转叶片网格的计算开销的情况下高效建模船体-螺旋桨相互作用。

在这项工作中，我们采用了上述混合方法中的BEM/RANS耦合方案，并将其应用于KVLCC2-SP819螺旋桨系统。本研究重点是将耦合的BEM/RANS框架与非稳态空化建模相结合，以评估实际船尾条件下的有效尾流和空化动力学。我们使用了自主研发的BEM/RANS耦合代码，该代码基于用户指定的参数输入数据进行几何生成和流体动力学分析；该代码最初由德克萨斯大学奥斯汀分校的海洋工程小组开发（代码名称：PC2NS Su，2018年；Su等人，2019年；Su和Kinnas，2017年）。当前配置的验证数据来自韩国三星船舶模型水池（SSMB）对SP819螺旋桨开阔水条件的实验，以及螺旋桨-船体相互作用问题的全三维RANS模拟。这些数据集共同为评估所提出方法的预测能力提供了全面的基准。KVLCC2船体模型在船舶流体动力学中得到了广泛应用，并已成为验证研究的实际标准。¹其流行之处在于有高质量的实验数据（Seo等人，2021年；Wang等人，2024b年）、文档齐全的几何形状，以及它对现代超大型原油运输船（VLCC）船体形式的良好表示，具有明确的流动特性。随着过去十年积累的大量验证案例（Fureby等人，2016年；Guo等人，2012年；Jin等人，2016年；Kim等人，2017年；Sadat-Hosseini等人，2013年），KVLCC2模型已成为开发和评估用于预测尾流场、船体-螺旋桨相互作用和船舶流体动力学中空化现象的数值方法的理想测试案例。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍了流体动力学BEM公式背后的数值方法论和BEM/RANS耦合方案。第3节描述了KVLCC2-SP819螺旋桨系统的计算设置，并提供了验证结果，比较了BEM和RANS的预测结果，包括完全湿润和空化条件下的实验测量数据。最后，第4节总结了主要发现并讨论了未来的工作。

螺旋桨问题的边界元素方法

当坐标系固定在旋转的螺旋桨上时，任何点的总速度$\overrightarrow{q}$可以分解为三个分量：有效来流${\overrightarrow{U}}_{in}$、由于螺旋桨旋转而产生的相对旋转速度，以及由螺旋桨存在引起的扰动速度$\overrightarrow{u}$： $\overrightarrow{q}={\overrightarrow{U}}_{in}?\overrightarrow{\omega }\times \overrightarrow{r}+\overrightarrow{u}：$ 其中$\overrightarrow{\omega }$表示螺旋桨的角速度，$\overrightarrow{r}$表示相对于旋转轴的位置向量。扰动速度$\overrightarrow{u}$定义为

SP819模型螺旋桨的开阔水性能

在讨论船体-螺旋桨相互作用问题之前，有必要使用流体动力学BEM研究和验证模型尺度SP819螺旋桨的开阔水性能。SP819螺旋桨是一个四叶片、右旋螺旋桨（图2），其开阔水特性在模型尺度上进行了模拟，主要参数总结在表1中。对于BEM中的数值设置，叶片表面在弦向方向上用60个面板离散化，

结论

在这项工作中，应用了流体动力学边界元素方法（BEM）与雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）求解器相结合，来预测在KVLCC2船体后运行的SP819螺旋桨的有效尾流和非稳态性能。耦合方法结合了两种方法的优点：BEM部分有效地解决了非稳态叶片载荷，模拟了下游尾流的演变并捕捉了空化的发展，而RANS求解器考虑了粘性船体效应

CRediT作者贡献声明

Seungnam Kim：写作 - 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Taegoo Lee：写作 - 审稿与编辑、验证、研究、正式分析、数据管理。Guangyao Wang：写作 - 审稿与编辑、方法论、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本项工作的支持来自2025年弘益大学研究基金。