彭建鋒 楊敬東

【摘 要】隨著CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)在船舶設(shè)計研究中的應(yīng)用，數(shù)字化的船模水池，在民船與軍船水動力特性研究中得到廣泛的應(yīng)用。本文介紹了以勢流理論為基礎(chǔ)的船舶設(shè)計軟件Shipflow，并介紹了其適用的船舶類型，分析了它在阻力預(yù)報中的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】CFD；勢流理論；阻力預(yù)報

中圖分類號： U675.91 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0194-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.088

【Abstract】With the application of CFD（Computational Fluid Dynamics）technology in ship design research， digitalized model vessel pools have been widely used in the study of hydrodynamic characteristics of civilian and military ships.

【Key words】CFD；Potential flow theory；Resistance prediction

21世紀，科技高速發(fā)展為船舶業(yè)帶來了巨大的機遇與挑戰(zhàn)，作為船舶設(shè)計者，要審時度勢，積極開發(fā)應(yīng)用新技術(shù)，才能立足于行業(yè)前列。CFD是一種新興的計算方法，它作為一種新的優(yōu)化船型手段在國內(nèi)外船舶設(shè)計中已得到了廣泛的應(yīng)用。但由于受到當(dāng)前理論水平和計算機的運算速度限制，CFD方法對于精準預(yù)報船舶水動力性能還些不足，但其計算結(jié)果仍能一定的精度要求，且能得到比船模試驗更多流場信息。目前主流的CFD設(shè)計軟件有：Fluent、CFX，Star-CCM、Comsol等，由于算法和軟件本身側(cè)重點不同，因此各有優(yōu)缺點。本文將介紹一種基于勢流理論的CFD計算軟件Shipflow，并分析其在特定船型設(shè)計中所具有的優(yōu)越性。

1 軟件簡介

Shipflow是以CDF為依托，處于領(lǐng)先地位的船舶水動力設(shè)計分析專用軟件，最初是由瑞典SSPA公司和Chalmers科技大學(xué)在八十年代聯(lián)合研發(fā)的，針對船體水動力數(shù)值模擬的專用軟件[1]。在國內(nèi)，Shipflow應(yīng)用主要集中在高校等科研院所，側(cè)重于應(yīng)用研究[2]；在國外，該軟件側(cè)重應(yīng)用于多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，例如，船型參數(shù)化軟件Friendship已將其作為系統(tǒng)默認求解器[3]。除此之外國外學(xué)者還十分重視軟件的檢驗與驗證，Lu[4]等對Shipflow軟件用于油船仿真的網(wǎng)格劃分、計算設(shè)置等進行了相關(guān)性分析；Mierlo[5]對Shipflow軟件的網(wǎng)格劃分、興波阻力計算方法和收斂準則等開展了較為深入的研究，并經(jīng)過系列船型計算，得到了可用于修正Shipflow計算結(jié)果的回歸公式。

2 計算優(yōu)越性分析

船舶拖曳水用船舶模型實驗方法，模擬船舶運動狀態(tài)，是船舶水動力實驗的重要設(shè)備。船模實驗是驗證船舶設(shè)計、了解船舶阻力性能的重要環(huán)節(jié)，其實驗數(shù)據(jù)至今仍在新船型開發(fā)中起著重要的作用[6]。但這種方法實驗費用高，周期長，且對船池本身依賴性較大。船舶CFD是通過模擬不可壓縮牛頓流體的湍流運動狀況來預(yù)報船舶航行時的水動力性能。結(jié)合具體的船型，CFD可以比較精確預(yù)報船舶快速性和流場特性，能比較不同流線方案的快速性優(yōu)劣。由于是在“數(shù)值水池”中進行試驗，尤其在設(shè)計初期，不用進行船模實驗，也可以獲得具有參考價值的設(shè)計參數(shù)，從而縮短設(shè)計周期，降低成本，這在船舶設(shè)計有著重要意義。Shipflow是造船行業(yè)廣泛認同的功能最全面，最完善的有效計算船舶阻力性能的CFD軟件之一，它相當(dāng)于數(shù)字化的船模水池，在民船與軍船水動力特性研究中有廣泛的應(yīng)用。Shipflow可以通過模擬給出波浪模式，壓力分布，速度矢量，空間流線和波浪增阻，粘性阻力，興波阻力，誘導(dǎo)阻力，升力，螺旋槳效率等船體特征性參數(shù)[7]。新開發(fā)的Shipflow版本還增加了增添了淺水效應(yīng)研究，盤形推進器網(wǎng)格自動劃分和多船體研究等功能。

Shipflow將船體周圍的流場劃分為三個計算流域，分別為勢流區(qū)、薄邊界層區(qū)和湍流區(qū)，根據(jù)各個區(qū)域流體流動特性的不同，分別在每一區(qū)采用不同的數(shù)值計算方法。其中每一區(qū)使用的CFD方法如下：

2.1 勢流區(qū)

Shipflow在該區(qū)域采用Rankine源法，根據(jù)自由表面的線型、非線性邊界條件，進行高階面元法的勢流理論進行計算，主要是求解船舶的興波阻力。

其原理是認為此區(qū)域船舶在不可壓縮的理想流體中運動，忽略水的粘性，且不考慮尾部伴流影響，進行數(shù)值計算時，運用高階面元法，聯(lián)立Laplace方程以及自由液面邊界條件得出速度勢分布，然后根據(jù)伯努利方程得到壓力與速度的關(guān)系，最后算出船舶興波阻力系數(shù)Cw。

2.2 薄邊界層區(qū)

此區(qū)域主要應(yīng)用邊界層理論。采用動量積分的方法，對船舶前三分之二的船體沿邊界層進行厚度積分，起點可以從駐點開始，也可以從選定的站點開始。將勢流壓力分布作為輸入?yún)?shù)，可計算出此區(qū)域的摩擦阻力。

2.3 湍流區(qū)

此區(qū)域可看做是對粘性流體進行求解。Shipflow采用基于有限體積法的RANS求解器——XCHAP求解模塊[8]來進行計算。

計算中采用時均化的N-S方程，即雷諾方程。

不可壓縮流體的雷諾方程：

在數(shù)值計算中采用有限體積法，通過k-？著湍流模型進行求解。其中，RANS方程的邊界條件可由勢流和邊界層計算得到，方程中的對流項采用Roe平均策略，取二階精度格式，其余各項采用中心差分進行離散，并對離散方程進行迭代求解[9]，由于此區(qū)域船體受到流體的粘性作用，對船體濕表面進行積分，所得運動方向上的分量即粘性阻力Rv，再通過RANS方程求解得到船體表面壓力分布。采用這種分區(qū)域分步驟的求解方式，得到船舶航行時受到的總阻力。整個計算方法既能保證計算的精度與準確度，同時也有效縮短了計算周期，提高了計算效率。

3 阻力預(yù)報方法

艦船船體阻力可以分為興波阻力與粘性阻力，阻力預(yù)報有兩種方法。

第一種，分別計算兩種阻力，其中粘性阻力利用Holtrop方法估算，形狀因子可用經(jīng)驗公式，摩擦阻力系數(shù)可用柏-徐公式計算。興波阻力計算可以通過對船體表面勢流壓力進行積分得到；粘性阻力是摩擦阻力與粘壓阻力之和，摩擦阻力是對沿船體表面局部摩擦應(yīng)力積分得到，前半體局部摩擦阻力通過邊界層方法得到，后半體局部摩擦阻力通過N-S方程中壁面剪應(yīng)力得到，粘壓阻力由粘性引起的壓力積分得到。

第二種是排擠厚度法，排擠厚度是指粘性作用造成邊界層速度降低，相比理想流體有流量損失，相當(dāng)于中心區(qū)理想流體的流通面積減少，計算時將平板表面上移一個厚度，此為排擠厚度[11]。在計算興波阻力時就等效的計入粘性的影響，獲得剩余阻力，然后估算出艦船的船體阻力。

采用和這兩種方法估算剩余阻力時，只有當(dāng)剩余阻力系數(shù)Crs>0.32時預(yù)報準確性高，系數(shù)較小時，則存在一定的誤差。其中采用排擠厚度法比第一種估算阻力方法更為準確，其預(yù)報阻力誤差基本可控在7%內(nèi)。計算興波阻力時引入排擠厚度等效算作粘性影響，進行修正，可以達到對船舶阻力的快速預(yù)報。

4 關(guān)于Shipflow應(yīng)用的討論

近年來，有關(guān)CFD的研究進展較快，Shipflow的應(yīng)用也越來越廣泛。但是，無論是網(wǎng)格處理、求解器設(shè)計、后處理，還是計算結(jié)果可靠性分析上，由于源代碼不公開而存在修正的困難[12]。大量的算例分析得出，Shipflow對于大Cb，低Fn船型有較好的計算結(jié)果，但是對于特殊的高速船，其計算結(jié)果不如Fluent；尤其當(dāng)船舶航態(tài)處于半滑行狀態(tài)時，出現(xiàn)破波，其計算精度往往無法滿足設(shè)計要求，只能用船模試驗。綜上，對于船型幾何形狀及船體周圍流動的過于復(fù)雜時，數(shù)值計算結(jié)果只適用于對船舶性能做定性的分析。若能解決這幾方面問題，Shipflow將會得到更為廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

本文對目前應(yīng)用較為廣泛的Shipflow軟件進行了介紹，分析了其分區(qū)域計算的方法，以及其在船舶阻力預(yù)報中的實際運用。通過對船舶繞流的分析，對船舶阻力的計算，可以對船舶設(shè)計進行線型優(yōu)化，對初步線型的阻力性能進行對比、評價，為修改線型優(yōu)化設(shè)計提供幫助[13]，提高船舶快速性，從而降低船舶制造成本，提高工作效率，縮短建造周期，節(jié)省船模加工、試驗成本。

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