《Journal of Marine Science and Engineering》：Comparison of 3-DOF and 6-DOF CFD Maneuvering Simulations for a Fully Wind-Powered Ship
Akane Yasuda,
Tomoki Taniguchi and
Toru Katayama
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为评估横摇、纵摇与垂荡对完全风动力船舶运动特性的影响，本研究对配备两具刚性翼帆的船舶进行了6-DOF与简化3-DOF CFD操纵仿真对比。结果表明，在气动-水动力耦合效应显著影响航向稳定性的情况下，3-DOF模型无法准确复现船舶轨迹、漂角与航速等关键特征。该研究阐明了6-DOF建模对准确预测风力船舶操纵性能的必要性，为下一代风动力船舶设计与高可靠度仿真框架的开发提供了重要参考。
随着国际海事组织（IMO）设定的温室气体减排目标日益紧迫，利用风能作为主要推进系统的船舶研发备受关注。完全风动力船舶被视为不依赖化石燃料的环保船舶，前景广阔。然而，这类船舶在实际航行中面临的一大挑战是操纵与控制难度，特别是当强风与复杂的海浪环境相互作用时。以往的研究虽然证明了L形和T形翼帆布置能够提高推力和操纵性，但一个关键问题尚未明确：船舶的垂直和旋转运动——即横摇、纵摇和垂荡——究竟在多大程度上影响其航行性能？这些运动是否会改变船体水下体积、水流条件及受力平衡，从而对航向稳定性产生不可忽视的影响？为了回答这个问题，研究人员开展了一项对比研究。
该研究发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。作者团队基于其前期建立的6自由度（6-DOF）运动分析模型，构建了一个简化的3自由度（3-DOF）模型。在3-DOF模型中，横摇、纵摇和垂荡运动被约束，而其他所有计算条件均保持不变。通过系统比较这两种模型在四种帆配置（L形、常规形布置，分别在150°和180°真实风向角下）下的模拟结果，研究人员旨在阐明横摇、纵摇和垂荡对船舶操纵运动的效应。
研究人员主要运用了计算流体力学（CFD）技术。具体方法包括：基于RANS方程构建船舶、翼帆和舵的完整流体动力学模型；采用动态流体相互作用（DFBI）方法求解6-DOF或3-DOF的船舶运动方程；通过PID控制器对舵角进行闭环控制，以维持船舶的航向（航向角ψ ≈ 0°）；对所有案例的船舶轨迹、航速(V)、漂角(β)、舵角(δ)、航向角(ψ)以及纵向力和横向力进行了详细的时程分析。
3.1. 船舶轨迹的3-DOF与6-DOF仿真对比
通过对比两种模型在不同时间点的船舶位置和航向，研究发现：在150°风向角下，采用L形布置的案例1，两种模型的运动在初始阶段虽有差异，但在1300-1500秒期间趋于相似；而采用常规布置的案例2，3-DOF模型预测的轨迹与6-DOF模型存在显著偏差，其船体经历了显著的艏摇并持续漂移，无法恢复航向。在180°风向角下，无论是T形（案例3）还是常规布置（案例4），3-DOF模型预测的船舶轨迹横向位移更小，向前航行的距离也更短。这些结果清晰地表明，6-DOF模型预测的船舶运动轨迹无法被3-DOF模型复现。
3.2. 航速与漂角的3-DOF与6-DOF仿真对比
在所有案例中，3-DOF模拟得到的航速(V)均小于6-DOF模拟结果。特别是案例2，其3-DOF模拟航速在约t=900秒达到峰值后开始下降，而6-DOF模拟则趋于稳定。漂角(β)的对比显示，在运动起始阶段，3-DOF模型在所有案例中表现出的右舷漂移均小于6-DOF模型。在稳态下，除了案例2（其3-DOF结果无法收敛，船体以约110°的漂角持续侧滑），其他案例的3-DOF漂角结果与6-DOF结果具有可比性。这说明在气动-水动力耦合效应显著的情况下（如案例2），忽略横摇、纵摇和垂荡会导致对船舶稳定漂移状态的错误预测。
3.3. 舵角与航向角的3-DOF与6-DOF仿真对比
除案例2外，所有案例都能通过舵的PID控制将航向稳定在ψ ≈ 0°。在案例1、3和4中，3-DOF模拟的舵角(δ)变化幅度小于6-DOF模拟，表明在3-DOF模型中舵的控制更为有效。但在案例2中，3-DOF模型完全无法控制船体姿态，导致航向失控，这进一步凸显了在复杂工况下6-DOF模型对准确模拟航向控制稳定性的必要性。
3.4. 纵向力与横向力的3-DOF与6-DOF仿真对比
对比作用于翼帆和船体上的纵向力时程，研究人员发现两种模型之间存在差异，例如在案例4的Sail-1上，t≈800秒时存在约30 kN的最大瞬时差异。然而，这些力的差异并非导致航速(V)差异的主要原因。更重要的是，案例2的3-DOF模拟结果显示，作用于船体上的纵向力在t≈900秒后变为负值，表明船体承受了比6-DOF模拟更大的水动力阻力，这正是其航速下降的直接原因。在所有案例中，运动起始阶段（t=100秒后），6-DOF模拟的船体纵向力波动明显大于3-DOF模拟，这被认为是横摇、纵摇和垂荡附加运动变化的结果。
综上所述，本研究通过系统对比揭示了6自由度运动模型对于准确预测完全风动力船舶操纵性能的必要性。核心结论在于，简化的3自由度模型（约束横摇、纵摇和垂荡）无法准确复现船舶的轨迹、航速、漂角等关键运动特征，尤其在气动-水动力耦合强烈影响航向稳定性的工况下（如案例2），3-DOF模型甚至会得出完全错误的稳态行为，如持续漂移和航向失控。相反，6-DOF仿真则揭示了显著不同的稳态行为，证明横摇、纵摇和垂荡在预测船舶操纵性能中扮演着至关重要的角色。这些运动通过改变船体水下体积、来流条件和整体受力平衡，深刻影响着船舶的航向稳定性。
本研究的讨论部分进一步强调了其意义。研究结果不仅阐明了帆布置与运动建模之间如何相互作用以塑造船舶的操纵特性，更重要的是，它为开发可靠的全6-DOF仿真框架以及评估下一代风动力船舶的设计提供了基础性见解。在追求航运业脱碳的背景下，确保风动力船舶操纵性能预测的准确性至关重要，而本研究表明，为了实现这一目标，必须采用能够充分捕捉船舶六自由度运动的仿真模型。这项工作填补了该领域研究的空白，为未来更精确、更可靠的性能预测与优化设计铺平了道路。
