準確預測有效尾流在船舶流體動力學中至關重要，因為它包含了螺旋槳工作所經歷的來流條件的關鍵信息，從而影響整個推進器的性能，包括空化行為。在船尾條件下，尾流受到船體邊界層、流動分離、突出物和螺旋槳誘導的渦流之間的相互作用顯著影響（Xing等人，2012年）。因此，可靠預測有效尾流對于螺旋槳設計、空化評估和船舶設計早期的船體-螺旋槳優化至關重要（Regener等人，2018年；Rijpkema等人，2013年）。傳統上，通過拖曳水池實驗結合螺旋槳開闊水試驗和船體阻力測量來評估尾流特性，并基于推力恒等式進行分析。盡管實驗方法提供了有價值的基準數據，但它們通常成本較高（特別是對于沒有專用設施的機構而言），耗時較長，并且難以解析尾流的非穩態和三維特性。在許多實驗研究中，主要測量的是標稱尾流，通常是通過拖曳無螺旋槳的船體獲得的（Sun等人，2019年）。盡管這種方法提供了關于船體后方全局來流分布的有用信息，但它仍然缺乏螺旋槳與船體之間的相互作用（Farkas等人，2019年；Mikkelsen等人，2022年）。由于有效尾流本質上反映了這些相互作用效應，因此它被視為準確預測運行中螺旋槳性能的先決條件。然而，在船尾條件下直接測量有效尾流仍然具有挑戰性，因為它需要在靠近旋轉螺旋槳的地方放置專用儀器，例如先進的粒子圖像測速（PIV）或激光多普勒風速計（LDA）系統（Longo等人，2007年；Shin等人，2020年）。因此，即使標稱尾流可能與實際控制螺旋槳來流的有效尾流不同，它仍常被用作實際替代方案。

在這種背景下，基于計算流體動力學（CFD）的數值方法受到了越來越多的關注。特別是基于雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）的方法已被廣泛用于模擬各種船舶和螺旋槳配置的標稱尾流，通常與實驗數據有很好的一致性（Can等人，2020年；Farkas等人，2019年；Mikkelsen等人，2022年；Regener等人，2018年）。雖然完全解析的CFD模擬相比純實驗方法具有多種優勢，但它們主要仍提供關于標稱尾流的信息，因為大多數模擬將螺旋槳和船體分開處理。為了在保持CFD實際優勢的同時能夠預測有效尾流，已經開發了幾種混合方法，將勢流求解器與RANS求解器相結合（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）。在耦合框架內，先前的工作引入了基于執行器的模型，如執行器盤、執行器線或表面表示，其中螺旋槳通過分布的體力場而不是顯式解析的葉片幾何形狀來建模。這些方法已廣泛應用于潮汐渦輪機和船舶螺旋槳的應用中（Du和Kinnas，2019年）。除了執行器模型外，還使用了邊界元素方法（BEMs）和渦格方法（VLMs）來更好地保持螺旋槳葉片的三維幾何形狀（Su和Kinnas，2017年；Tian等人，2014年）；通過顯式解析葉片表面，這些方法可以比簡化的執行器表示更準確地捕捉葉片載荷分布和尾流演變。盡管勢流方法非常適合開放水條件下螺旋槳的流體動力學分析，但它們無法考慮船體-螺旋槳相互作用和船尾條件下尾流發展的高粘性效應。相比之下，RANS求解器可以在實際足夠的程度上解析粘性船體流動，盡管計算成本較高。這兩種方法是互補的，結合使用時可以相互彌補各自的缺點，為預測船體-螺旋槳相互作用和產生的有效尾流提供了一個有效的框架。螺旋槳載荷使用低階BEM計算，并作為體力或等效動量源納入RANS方程中，從而能夠在不進行完全解析旋轉葉片網格的計算開銷的情況下高效建模船體-螺旋槳相互作用。

在這項工作中，我們采用了上述混合方法中的BEM/RANS耦合方案，并將其應用于KVLCC2-SP819螺旋槳系統。本研究重點是將耦合的BEM/RANS框架與非穩態空化建模相結合，以評估實際船尾條件下的有效尾流和空化動力學。我們使用了自主研發的BEM/RANS耦合代碼，該代碼基于用戶指定的參數輸入數據進行幾何生成和流體動力學分析；該代碼最初由德克薩斯大學奧斯汀分校的海洋工程小組開發（代碼名稱：PC2NS Su，2018年；Su等人，2019年；Su和Kinnas，2017年）。當前配置的驗證數據來自韓國三星船舶模型水池（SSMB）對SP819螺旋槳開闊水條件的實驗，以及螺旋槳-船體相互作用問題的全三維RANS模擬。這些數據集共同為評估所提出方法的預測能力提供了全面的基準。KVLCC2船體模型在船舶流體動力學中得到了廣泛應用，并已成為驗證研究的實際標準。¹其流行之處在于有高質量的實驗數據（Seo等人，2021年；Wang等人，2024b年）、文檔齊全的幾何形狀，以及它對現代超大型原油運輸船（VLCC）船體形式的良好表示，具有明確的流動特性。隨著過去十年積累的大量驗證案例（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模型已成為開發和評估用于預測尾流場、船體-螺旋槳相互作用和船舶流體動力學中空化現象的數值方法的理想測試案例。

本文的其余部分組織如下：第2節介紹了流體動力學BEM公式背后的數值方法論和BEM/RANS耦合方案。第3節描述了KVLCC2-SP819螺旋槳系統的計算設置，并提供了驗證結果，比較了BEM和RANS的預測結果，包括完全濕潤和空化條件下的實驗測量數據。最后，第4節總結了主要發現并討論了未來的工作。