萬超

摘 要：本文以韓國船舶與海洋工程研究所（KRISO）的集裝箱船標(biāo)模KCS為研究對象，利用CFD軟件SHIPFLOW對其進(jìn)行興波阻力性能數(shù)值模擬，比較網(wǎng)格質(zhì)量、傅汝德數(shù)對興波阻力性能計算結(jié)果的影響。結(jié)果表明：傅汝德數(shù)相同，網(wǎng)格質(zhì)量不同時，計算結(jié)果不同；網(wǎng)格質(zhì)量相同，傅汝德數(shù)不同，計算結(jié)果與實驗值有所差異，但是總體趨勢與實驗值較為一致。本文對不同網(wǎng)格質(zhì)量、不同傅汝德數(shù)下的KCS船型作了興波阻力的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果具有一定可靠性，為基于興波阻力的船型優(yōu)化提供興波阻力性能數(shù)值計算支撐。

關(guān)鍵詞：興波阻力；KCS；數(shù)值模擬；網(wǎng)格質(zhì)量；傅汝德數(shù)

中圖分類號：U66 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）05-0039-02

國際船舶ITTC會議已將基于仿真的設(shè)計列為數(shù)值模擬技術(shù)研究的前沿?zé)狳c課題。將CFD技術(shù)應(yīng)用于船型優(yōu)化中，不僅需要進(jìn)行大量的數(shù)值計算，還要保證計算結(jié)果具有可接受的精度。為縮短計算耗時，除了應(yīng)加強(qiáng)計算機(jī)硬件的建設(shè)外，還需要保證計算精度在可接受的情況下，使得計算網(wǎng)格數(shù)較少。

1 數(shù)值計算方法驗證

1.1 計算模型

1.2 計算工況

1.3 計算域和邊界條件

在CFD計算中，一個關(guān)鍵因素是計算域的合理選取。過大的計算域會使計算量和計算時間大幅增加，而過小的計算域又會使計算精度不滿足計算要求，且數(shù)值模擬的狀態(tài)與真實的情況不符。

1.3.1 計算域

由于船體左右對稱，船體左右的流場也對稱，所以只需計算左舷或右舷的半個船體的流場。參考以往數(shù)值計算實例和經(jīng)驗，計算域選取如下：

興波阻力的計算域：計算域為橫向?qū)挾热?.7倍船長，縱向首部向前取0.5倍船長，尾部向后取1倍船長。

1.3.2 邊界條件

邊界條件就是在求解域的邊界上，物理量需要滿足的數(shù)學(xué)條件，邊界條件反應(yīng)了問題的物理本質(zhì)。

2 網(wǎng)格劃分

在CFD計算中，另一個關(guān)鍵因素是網(wǎng)格的劃分。勢流方法計算興波阻力，其精度對面元的分布有一定的依賴性，即網(wǎng)格的質(zhì)量直接決定計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以生成高質(zhì)量的網(wǎng)格是計算的關(guān)鍵。

興波阻力計算的面元網(wǎng)格劃分。采用貼體的曲面坐標(biāo)系并在這個坐標(biāo)系中劃分網(wǎng)格，因此自由液面的網(wǎng)格能夠直接反映波面的起伏狀況。根據(jù)KCS船型特點，其興波面元分布（面網(wǎng)格劃分）應(yīng)注意在船體瞬時濕表面、瞬時水面均需劃分面元網(wǎng)格，并在曲率變化大的首尾進(jìn)行加密；在自由水面上，面元網(wǎng)格在縱向盡量分布均勻，側(cè)向靠近船體較密。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 不同網(wǎng)格的計算分析

由于KCS船型的興波阻力沒有試驗結(jié)果，因此興波阻力的數(shù)值計算結(jié)果沒有試驗結(jié)果對比。但從理論分析可知細(xì)網(wǎng)格計算的結(jié)果更可靠。本文為驗證網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的影響及SHIPFLOW在不同網(wǎng)格數(shù)時計算結(jié)果的穩(wěn)定性，對KCS船型進(jìn)行型線修改，獲得17條局部型線變化的“KCS”船型（假設(shè)局部位置的改變不會對興波阻力產(chǎn)生較大影響），并采用兩套網(wǎng)格（粗網(wǎng)格：約800個面元，細(xì)網(wǎng)格：約3600個面元）分別計算其興波阻力性能，計算結(jié)果見表2。

相比于細(xì)網(wǎng)格，粗網(wǎng)格計算穩(wěn)定性差，計算結(jié)果的可靠性不滿足優(yōu)化分析要求。

3.2 設(shè)計航速下興波阻力計算

3.3 不同航速下的興波阻力計算

對不同航速分別進(jìn)行非線性的自由液面條件的計算，每航速計算了約8步達(dá)到穩(wěn)定，計算結(jié)果見表3。

得出結(jié)論：相同船型，傅汝德數(shù)越大，興波阻力系數(shù)越大。這一結(jié)果能得到理論結(jié)論的支撐。

4 總結(jié)與展望

本文采用CFD分析軟件SHIPFLOW對KCS船型作了大量的數(shù)值模擬，并比較了不同網(wǎng)格數(shù)、不同傅汝德數(shù)下的興波阻力計算結(jié)果。計算結(jié)果所呈現(xiàn)的規(guī)律滿足理論分析結(jié)論及經(jīng)驗認(rèn)知，因此可以認(rèn)為SHIPFLOW計算結(jié)果較為可信，可以為后續(xù)興波阻力的優(yōu)化作支撐。本文欠缺之處在于考慮網(wǎng)格影響時，只分為兩個檔次，應(yīng)該分多個檔進(jìn)行細(xì)致研究。Fr數(shù)對興波阻力的影響很大，本文只作了定性分析，沒從機(jī)理上進(jìn)行解釋，這是后期工作需要完善的部分。

參考文獻(xiàn)：

[1] FLOWTECH. SHIPFLOW4.7 users manual[M]. Gothenburg，Sweden，2012.

[2] 王文飛. 7000 噸成品油船的球首優(yōu)化研究[D] 上海：上海交通大學(xué). 2008

[3] 陳偉，許輝，邱遼原.基于SHIPFLOW軟件的方尾艦船阻力快速預(yù)報[J]. 中國艦船研究， 2012， 7（4）： 17-22.

[4] 王中，盧曉平，王瑋.考慮升沉和縱傾的方尾船非線性興波阻力計算[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯），2010，25（3）：422-428.