虞波

[摘 要]在本文中，將以某船舶計(jì)算流體力學(xué)為例，在對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)改型以及船原型性能間的差異，并對(duì)CFD在船型優(yōu)化中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行一定分析。

[關(guān)鍵詞]流體力學(xué)；船舶線型優(yōu)化；應(yīng)用；

中圖分類號(hào)：U661.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）17-0332-01

1 引言

在我國(guó)船舶計(jì)算流體力學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的情況，通過(guò)數(shù)值理論方式對(duì)船舶性能進(jìn)行分析已經(jīng)成為了重要、且較為新型的研究手段。對(duì)于計(jì)算流體力學(xué)來(lái)說(shuō)，其是一門集計(jì)算數(shù)學(xué)、船舶流體力學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)于一體的學(xué)科，在現(xiàn)今船舶操縱性能、阻力性能以及推進(jìn)性能積極研究的環(huán)境下，成為了對(duì)船舶性能進(jìn)行研究、預(yù)報(bào)的重要工具。作為一種對(duì)船型優(yōu)化的新手段，其目前在我國(guó)內(nèi)外得到了較多的應(yīng)用，已經(jīng)具有了較為成熟的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，且已經(jīng)形成了較多的軟件類型，應(yīng)用在船舶升沉、流場(chǎng)以及船舶阻力計(jì)算當(dāng)中。雖然CFD理論方式在定量精度方面還存在著一定的不足，但依然能夠?yàn)槲覀儙?lái)重要的提示，為我們線型阻力性能的評(píng)價(jià)以及比較具有重要的幫助。

2 計(jì)算軟件簡(jiǎn)介

對(duì)于RAPID軟件來(lái)說(shuō)，其是上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所從荷蘭引進(jìn)的CFD軟件，對(duì)于該軟件來(lái)說(shuō)，其對(duì)非線性勢(shì)流問(wèn)題進(jìn)行了較好的解決，即通過(guò)一系列線性問(wèn)題的應(yīng)用對(duì)非線性、完全穩(wěn)定的問(wèn)題解決方案進(jìn)行得出。在每一次迭代當(dāng)中，問(wèn)題都能夠在同距自由液面一定距離位置通過(guò)等源網(wǎng)格方式的應(yīng)用進(jìn)行解決，并以同DAWSON較為類似的方式對(duì)自由液面條件進(jìn)行處理，能夠?qū)Υw周圍穩(wěn)定的波系、興波阻力以及非粘性流進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，其也通過(guò)基于raised-panel方式的迭代應(yīng)用對(duì)非線性的勢(shì)流問(wèn)題進(jìn)行解決。通過(guò)該軟件的應(yīng)用，能夠有效對(duì)興波阻力以及波浪的形成情況進(jìn)行減小。在計(jì)算結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其以可視化的方式對(duì)船體表面壓力場(chǎng)分布、流線方向、船波系特性以及速度場(chǎng)分布等進(jìn)行了顯示，且在壓力分布當(dāng)中也對(duì)粘性流改善方向進(jìn)行了指出。通過(guò)計(jì)算獲得的升沉、興波阻力、波系等數(shù)據(jù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員則能夠更好的對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估以及改進(jìn)，對(duì)減少船舶阻力線型的改進(jìn)方向進(jìn)行判斷?？梢哉f(shuō)，通過(guò)改進(jìn)方案RAPID結(jié)果的研究與分析，則能夠?qū)Ω男头桨傅臏p阻效果進(jìn)行驗(yàn)證，在能夠?qū)Χ鄠€(gè)線性方案設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上同傳統(tǒng)模型方式相比能夠有效實(shí)現(xiàn)研究周期以及研究成本的降低。

3 船型參數(shù)與線型比較

在本文中，以一艘典型的大型船進(jìn)行研究。在上圖中，實(shí)線標(biāo)識(shí)的是圓型橫剖曲線，聯(lián)系RAPID計(jì)算結(jié)果可以了解到，對(duì)于該船來(lái)說(shuō)，其在17站附近位置存在一個(gè)較為明顯的波谷，對(duì)此，即對(duì)19站之前的橫剖面積進(jìn)行增加，并同時(shí)減小16、17、18站的橫剖面積，在使整個(gè)肩部水線具有較為緩和特征的基礎(chǔ)上對(duì)興波阻力起到了積極的改善作用。同時(shí)，由于RAPID對(duì)勢(shì)流理論進(jìn)行了應(yīng)用，即不能夠?qū)δ繕?biāo)的尾性以及粘性進(jìn)行計(jì)算，而在對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行聯(lián)系的基礎(chǔ)上，也對(duì)船體的尾部進(jìn)行了一定的改動(dòng)，即在將原有船尾削瘦之后對(duì)更為V型的線型進(jìn)行運(yùn)用。

4 原型同改型計(jì)算結(jié)果比較

4.1 CFD計(jì)算結(jié)果

在該環(huán)節(jié)中，我們對(duì)兩個(gè)不同的船型進(jìn)行了RAPID計(jì)算，并對(duì)壓力場(chǎng)以及波形方面進(jìn)行了比較。在經(jīng)過(guò)波形以及壓力場(chǎng)分布情況研究可以得到以下變化：第一，在完成改型之后，船側(cè)波形同原型相比具有了較為明顯的改善；第二，在球艏部，在改型完成之后，其在壓力梯度方面具有了較為緩和的特征，低壓區(qū)范圍相較以往具有了縮小，且船尾壓力過(guò)渡方面也具有了較為緩和的特征。而為了能夠以更為形象的方式對(duì)波浪幅值進(jìn)行描述，我們也在船側(cè)位置對(duì)縱切波圖進(jìn)行了形成，沿船側(cè)改型之后，波形幅值同之前相比具有了一定的改善，在完成改型之后，船體興波阻力同以往相比較小。

4.2 EFD計(jì)算結(jié)果

為了能夠?qū)FD的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，我們分別對(duì)船體的原型以及改型方案進(jìn)行了模型試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果中可以了解到，在完成改型之后，其結(jié)果同原型相比具有了一定的提升，模型試驗(yàn)有效功率以及剩余阻力系數(shù)的比較情況如下表所示：

4.3 不同方法比較

從CFD計(jì)算獲得結(jié)果可以了解到，同原線型相比，船舶在17以及18站位置的壓力分布情況得到了較多的改善，不僅首尾波形具有了較好的改善效果，且船在興波阻力方面同之前相比也具有了明顯的減小。經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在傅氏數(shù)0.134-0.204之間，船舶剩余阻力都具有了較為明顯的減小，而在傅氏數(shù)增加的情況下，船舶阻力降低的百分比也將隨之增加，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，能夠?qū)FD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，即能夠?qū)?yōu)化的目標(biāo)進(jìn)行形成。

5 結(jié)束語(yǔ)

在上文中，我們通過(guò)CFD計(jì)算方式的應(yīng)用對(duì)原型以及改型兩個(gè)不同的方案進(jìn)行了分析以及計(jì)算，通過(guò)對(duì)船波系特性、速度場(chǎng)分布以及表面壓力場(chǎng)分布情況的計(jì)算，則能夠在對(duì)線性優(yōu)化改善方向進(jìn)行定性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出具有較好阻力性能的線型優(yōu)化方案。同時(shí)，也對(duì)線型優(yōu)化前后的模型試驗(yàn)進(jìn)行了比較，經(jīng)過(guò)比較可以了解到，同原型相比，在完成改型之后，傳播總阻力以及剩余阻力系數(shù)都具有了較大的減少，同CFD計(jì)算結(jié)果一致，并因此對(duì)CFD在定性上的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，在目前模型試驗(yàn)當(dāng)中，如果直接對(duì)模型的興波阻力進(jìn)行測(cè)量，則將具有較為困難的情況，對(duì)此，其還不能夠?qū)FD方式計(jì)算獲得的數(shù)值給出具體評(píng)價(jià)，需要在未來(lái)研究當(dāng)中不斷優(yōu)化提升。

參考文獻(xiàn)

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