基于FLUENT的多体船阻力研究

分类号U661.31 密级公开U D C 532 编号S201370104 中国舰船研究院硕士学位论文基于CFD 的高速舰船阻力与尾部伴流场的数值模拟作者：周芃指导老师：李为研究员学科专业：船舶与海洋结构物设计制造中国舰船研究设计中心二〇一三年三月分类号U661.31 密级公开UDC 532 编号S201370104 硕士学位论文基于CFD 的高速舰船阻力与尾部伴流场的数值模拟Numerical simulation of a high speed ship for resistance and wake based on CFD method指导老师姓名：李为职称：研究员学位申请人姓名：周芃申请学位级别：工学硕士专业名称：船舶与海洋结构物设计制造研究方向：舰船流体总体优化设计论文提交时间：2013.3 培养单位：中国舰船研究设计中心第七〇一研究所学位授予单位：中国舰船研究院学位论文原创和使用授权声明学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文所有研究工作，均是在导师指导下由作者本人独立完成。

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（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要高速水面舰船轴系附体直接影响着螺旋桨盘面伴流场，而双臂轴支架是安装于船尾轴上最靠近螺旋桨的轴系附体。

第４８卷㊀第２期２０１９年４月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀船海工程ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４８㊀Ｎｏ.２Ａｐｒ.２０１９㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３９６３/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１￣７９５３.２０１９.０２.０４４基于ＣＦＤ的船舶总阻力数值模拟陈骞ꎬ查晶晶ꎬ刘刚(上海外高桥造船有限公司ꎬ上海２００１３７)摘㊀要:为了实现利用ＣＦＤ准确预报船舶阻力ꎬ选取２种船舶线型ꎬ对静水下不同航速时的阻力进行模拟ꎬ考虑船舶的对称性ꎬ使用半船进行建模ꎬ为减少网格数量并尽量保证精度ꎬ采用局部加密进行网格处理ꎬ采用ＶＯＦ法对自由液面进行模拟ꎬ与船模试验数据对比表明ꎬ本方法具有较高的数值精度ꎮ关键词:ＣＦＤꎻ总阻力ꎻ粘流ꎻ数值模拟中图分类号:Ｕ６６１.３㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７１￣７９５３(２０１９)０２￣０１７４￣０４收稿日期:２０１９－０１－０８修回日期:２０１９－０３－１８第一作者:陈骞(１９９０ )ꎬ男ꎬ学士ꎬ工程师研究方向:船舶流体仿真与水动力优化㊀㊀在船舶设计过程中ꎬ为了获得各线型差异对船舶阻力的影响ꎬ往往需要大量的船模试验ꎮ但船模试验周期长㊁成本高ꎬ而且ꎬ通常只能选取其中的典型线型进行船模试验ꎮ为此ꎬ考虑采用ＣＦＤ数值计算方法ꎬ利用计算机技术ꎬ在船舶设计及线型优化中进行各种模拟预估ꎬ从众多方案中进行选取ꎬ减少船模试验次数ꎬ节省开发时间和开发成本ꎮ选取两不同船舶线型ꎬ选取多速度点进行数值计算[１￣３]ꎮ通过与水池船模试验结果的比较ꎬ分析ＣＦＤ模拟阻力值与水池试验报告的数值精度ꎬ得到精度高的模拟方法ꎮ１㊀船舶流体理论基础在船舶的流场中ꎬ粘性起到主要作用ꎬ计算必须考虑到流体黏性ꎮ黏性流体运动满足质量守恒定律㊁动量守恒定律㊁动量矩守恒定律及能量守恒定律ꎮ当考虑流体为不可压缩时ꎬ密度ρ为常数ꎬ基本方程只剩下连续方程和动量方程ꎬ将本构方程代入得到雷诺方程ꎮ１.１㊀雷诺Ｎａｖｉｅｒ－ｓｔｏｋｅｓ方程对于不可压缩的流体ꎬＮ－Ｓ方程为[４]ＤνＤｔ＝ｆ－Ｉρ▽ρ＋▽２ν(１)Ｎ－Ｓ方程为一非线性的二阶偏微分方程ꎬ等式左边为惯性力ꎬ右边依次为质量力㊁压力合力和黏性力ꎮ其中黏性力又分为剪应力与附加法向应力ꎮ１.２㊀雷诺平均Ｎ－Ｓ方程虽然Ｎ－Ｓ方程能描述湍流的瞬时运动ꎬ但对湍流空间中每一点的物理量进行描述和预测是相当困难的ꎮ目前湍流的数值计算方法主要有三种:直接数值模拟方法㊁大涡模拟方法和雷诺平均Ｎ－Ｓ方程方法ꎮ而其中的雷诺平均Ｎ－Ｓ方程方法是在工程计算中运用最广的[５]ꎮ雷诺认为湍流的瞬时速度场满足Ｎ－Ｓ方程ꎬ因而采用时间平均法建立了雷诺方程ρ(∂μｉ∂ｔ＋∂μｉμｉ∂ｘｉ)＝ƏｐƏｘｉ＋μ▽２μｉ＋∂∂ｘｉ(－ｐμᶄｉμᶄｊ)(２)由雷诺方程看出ꎬ湍流中出了平均运动的粘性应力μ▽２μｉ外ꎬ还多了与脉动速度相关的一项－ρｕᶄ１ｕᶄ１ꎬ称为雷诺应力ꎬ它是一个二阶张量ꎮ由于在原有Ｎ－Ｓ方程上增加了雷诺应力这一新变量ꎬ方程不再封闭ꎬ因此需要在湍流应力与平均速度之间建立补充关系ꎬ即所谓的湍流模式ꎮ１.３㊀湍流模式湍流模式理论是指依据湍流的理论知识㊁实验数据或直接数值模拟的结果ꎬ对雷诺平均Ｎ－Ｓ方程中出现的雷诺应力项建立方程或表达式ꎬ然后对雷诺应力方程的某些项提出尽可能合理的模型和假设ꎬ以此使方程组封闭求解的理论ꎬ湍流模式理论是目前在模拟和预报复杂湍流时非常重要的工具ꎮ根据对雷诺应力处理方式的不同ꎬ湍流模式理论可分为两大类[６]:雷诺应力模式及涡粘模式ꎮ雷诺应力模式计算量很大ꎬ对计算机的要求０７１高ꎬ限制了其应用ꎮ涡粘模式不直接处理雷诺应力项ꎬ而是引入湍动粘度ꎬ湍流应力是以湍动粘度函数的形式出现ꎮ涡粘模式的模型相对要简单一些ꎬ计算量也小ꎬ针对特定流动问题可通过假定各种不同参数获得满足工程精度的求解[７]ꎮ２㊀ＣＦＤ计算模拟２.１㊀ＣＦＤ求解过程求解步骤见图１ꎮ图１㊀ＣＦＤ求解流程２.２㊀模型参数设置通常ꎬ在船体的湿表面上使用带有棱柱层的切割体网格进行阻力分析ꎮ使用切割体网格单元意味着网格将与平静的自由表面对齐ꎮ在网格设置中ꎬ各区域网格尺度均以ｂａｓｅｓｉｚｅ为基准ꎬ这样可以快速对网格进行疏密的变化ꎮ考虑船体的对称性ꎬ整个计算域只需选择一半ꎮ一般来说ꎬ网格越细ꎬ所求得的精度越高ꎬ同时需要的计算资源就越多ꎮ在生成网格时ꎬ要平衡网格大小与计算时间ꎮ整个计算域无需全部加密ꎬ主要对船体周围ꎬ兴波区域进行局部加密ꎮ自由液面需要捕捉波形ꎬ那就需要在波浪范围单独加密ꎮ从开尔文兴波范围和波浪兴起高度两方面进行加密ꎮ对船体周围加密ꎬ并适当建立过渡的网格ꎮ最后采用的网格见图２ꎮＣＦＤ在实际运用中应尽可能减少人工与计算成本ꎬ需要计算网格尽可能优化ꎮ接下来的计图２㊀计算域网格算均采用同样的网格策略ꎮ对于自由液面的捕捉ꎬ部分流体计算采用的是叠模的方式ꎬ先求解粘性阻力ꎬ再采用带自由面的势流计算兴波ꎮ本文对于自由液面的影响利用ＶＯＦ(ｖｏｌｕｍｅｏｆｆｌｕｉｄ)法求解ꎮ模拟计算中ꎬ选择Ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ε湍流模式来模拟湍流的影响ꎮ近壁处理采用壁面函数ꎮ边界层保证ＷａｌｌＹ＋值在合适的范围ꎮ２.３㊀阻力计算结果选取２艘船舶线型ꎬ对裸船体阻力数值进行软件模拟评估ꎬ利用已有水池试验报告进行对比ꎮ从而对网格及相关设置等进行评估ꎮ２.３.１㊀阿芙拉(ＡＦＲＡＭＡＸ)线型该船为一ＡＦＲＡＭＡＸ线型ꎬ主尺度见表１ꎮ水池试验缩尺比为３４.１３ꎬ设计吃水下阻力试验数据及ＣＦＤ模拟数据见表２ꎮ表１㊀ＡＦＲＡＭＡＸ主尺度参数垂线间长Ｌｐｐ/ｍ２４２.９５型宽Ｂ/ｍ４４.００设计吃水Ｔ/ｍ１３.５０设计速度Ｖ/ｋｎ１４.５０表２㊀ＡＦＲＡＭＡＸ计算数据对比弗芳德数Ｆｒ模型速度Ｖｍ/(ｍ ｓ－１)阻力值/Ｎ试验ＣＦＤ计算０.１２１.０１２８２５.０３９２５.０２００.１３１.０９６２２８.９８９２８.９７８０.１４１.１８１４３３.３７７３３.３１３０.１５１.２６５９３８.２２５３８.３０５０.１６１.３５１１４３.５４７４３.５８８０.１７１.４３３３４９.２１５５０.１７７０.１８１.５１７０５５.７９２５６.９５８㊀㊀从表２可以看出ꎬＦｒ在０.１２~０.１８范围内ꎬＣＦＤ模拟所得的总阻力值与水池试验报告相比ꎬ误差在－０.０７４％~２.０８９％之间ꎮ１７１２.３.２㊀ＶＬＣＣ线型ＶＬＣＣ线型船舶主尺度见表３ꎮ水池试验缩尺比为３４.１３ꎬ设计吃水下阻力试验数据及ＣＦＤ模拟数据见下表４ꎮ表３㊀ＶＬＣＣ主尺度参数垂线间长Ｌｐｐ/ｍ３２４.００型宽Ｂ/ｍ６０.００设计吃水Ｔ/ｍ２０.５０设计速度Ｖ/ｋｎ１４.００表４㊀ＶＬＣＣ计算数据对比弗芳德数Ｆｒ模型速度Ｖｍ/(ｍ ｓ－１)阻力值/Ｎ试验ＣＦＤ计算０.０９０.７５７１６.３７１６.５５０.１００.８４０１９.８３２０.０００.１１０.９２４２３.６３２３.８２０.１２１.００７２７.７３２７.８６０.１３１.０８７３２.０３３２.０８０.１４１.１７３３６.９６３７.０００.１５１.２５６４２.２６４２.２００.１６１.３３９４８.０４４７.９２０.１７１.４２３５４.４３５３.４４㊀㊀从表４可见ꎬＦｒ在０.０９~０.１７范围内ꎬＣＦＤ模拟所得的总阻力值与水池试验报告相比ꎬ误差在－１.８１９％~１.１００％之间ꎮ典型阻力变化见图３ꎮ可以看出ꎬ用于模拟的网格及相关参数设置具有良好的收敛性ꎮ图３㊀典型阻力变化兴波模拟结果见图４ꎮ兴波区域网格加密能够更好地捕捉波型ꎬ进而有利于阻力数值的模拟精度ꎮ可结合数值与波型ꎬ应用于今后的船型优化ꎮ总的来说ꎬ对于模型尺度总阻力ꎬＣＦＤ模拟得到的阻力与实验数据对比误差均在２％以内ꎬ在各速度点都有可靠的阻力精度ꎮ在设计航速附近的误差小于１％ꎬ认为能够利用ＣＦＤ对该类船舶阻力进行有效的预估计算ꎮ３㊀结论在以往的ＣＦＤ模拟中ꎬ数值的精度有限ꎬ不图４㊀自由液面能对船舶总阻力进行准确稳定的预估ꎬ多进行定性的比较分析ꎮ随着计算流体力学理论应用与软件的发展ꎬ能够对船舶阻力值进行更加准确的计算ꎮ以两不同船舶线型为对象ꎬ总阻力的模拟计算结果表明ꎬ与水池试验相比ꎬ利用ＣＦＤ进行总阻力预报具有较高的数值模拟精度ꎮ结合ＶＯＦ法与波系范围内的网格加密ꎬ能够准确地捕捉产生的兴波ꎮ采用Ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ε模型ꎬ对选取的肥大型船在设计航速附近能够达到１％以内ꎬ在整个速度取值范围均在２％内ꎮ故在今后的船体线型评估与对比中ꎬ能够充分利用该方法进行多线型的阻力精确预估与分析ꎮ对继续深入开展船舶ＣＦＤ的仿真应用ꎬ充分发挥ＣＦＤ工具在船舶开发中的作用ꎬ具有重要的工程意义ꎮ参考文献[１]倪崇本ꎬ朱仁传ꎬ缪国平ꎬ等.一种基于ＣＦＤ的船舶总阻力预报方法[Ｊ].水动力学研究与进展Ａ辑ꎬ２０１０ꎬ２５(５):５７９￣５８６.[２]ＲＡＶＥＮＨＯＹＴＥＣꎬＳＴＡＲＫＥＢＲＡＭ.Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｔｏｃｏｍｐｕｔｅｓｔｅａｄｙｓｈｉｐｖｉｓｃｏｕｓｆｌｏｗｗｉｔｈｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅ[Ｃ].２４ｔｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＮａｖａｌＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓꎬＦｕｋｕ￣ｏｋａꎬＪａｐａｎꎬ２００２.[３]ＳＣＨＷＥＩＧＨＯＦＥＲＪ.ＲＥＧＮＳＴＲＯＭＢ.ＳＴＡＲＫＥＡ.Ｒ.Ｇ.Ｔｚａｂｉｒａｓ.ＶｉｓｃｏｕｓｆｌｏｗｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｏｆｔｗｏｅｘｉｓｔｉｎｇｖｅｓｓｅｌｓａｔｍｏｄｅｌａｎｄｆｕｌｌｓｃａｌｅｓｈｉｐＲｅｙｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒｓ￣ａｓｔｕｄｙｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈｉｎｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＵｎｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔＥＦ￣ＦＯＲＴ[Ｃ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＭｅｔｈｏｄｓｉｎＭａｒｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００５.[４]刘应中ꎬ张怀新ꎬ李谊乐ꎬ等.２１世纪的船舶性能计算和ＲＡＮＳ方程[Ｊ].船舶力学ꎬ２００１(５):６６￣８４.[５]张亮ꎬ李云波.流体力学[Ｍ].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社ꎬ２００８[６]曲宁宁.基于黏流阻力数值计算的肥大型船尾部线２７１型优化方法研究[Ｄ].上海:上海船舶及海洋工程研究所ꎬ２０１１.[７]黄少锋ꎬ张志荣ꎬ赵峰ꎬ等.带自由面肥大船粘性绕流场的数值模拟[Ｊ].船舶力学ꎬ２００８(１):４６￣５３.ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＳｈｉｐＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＢａｓｅｄｏｎＣＦＤＭｅｔｈｏｄＣＨＥＮＱｉａｎꎬＺＨＡＪｉｎｇ￣ｊｉｎｇꎬＬＩＵｇａｎｇ(ＳｈａｎｇｈａｉＷａｉｇａｏｑｉａｏＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈａｎｇｈａｉ２００１３７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｃｕｒａｔｅｌｙｐｒｅｄｉｃｔｓｈｉｐｔｏｔａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｂｙｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ(ＣＦＤ)ｍｅｔｈｏｄꎬｔｗｏｓｈｉｐｌｉｎｅｓｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄｓｉｎｃａｌｍｗａｔｅｒ.Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｓｙｍｍｅｔｒｙｏｆｔｈｅｈｕｌｌꎬｔｈｅｈａｌｆｍｏｄ￣ｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅꎬａｎｄｌｏｃａｌｍｅｓｈｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｍｅｓｈｅｓａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ.ＴｈｅＶＯＦｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｃａｐｔｕｒｅｔｈｅｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｓｈｉｐｍｏｄｅｌｔｅｓｔｄａｔａꎬｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｈｉｇｈｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌａｃｃｕｒａｃｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＣＦＤꎻｔｏｔａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅꎻｖｉｓｃｏｕｓｆｌｏｗꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ(上接第１６９页)图６㊀基座弹簧力图参考文献[１]李海洲ꎬ李小灵ꎬ陈建平ꎬ等.Ａ型液舱超大型全冷式液化气船结构设计研究[Ｊ].船舶与海洋工程ꎬ２０１６ꎬ３２(１):２３￣２８.[２]郑双燕ꎬ范鹏ꎬ柳卫东ꎬ等.大型全冷式液化气船(ＶＬ￣ＧＣ)总体设计研究[Ｊ].船舶工程ꎬ２０１４ꎬ３６(５):１８￣２１.[３]ＬｌｏｙｄᶄｓＲｅｇｉｓｔｅｒ.Ｒｕｌｅｓａｎｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｅｏｎｓｔｒｕｃ￣ｔｉｏｎａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｈｉｐｓｆｏｒｔｈｅｃａｒｒｉａｇｅｏｆｌｉｑｕｅ￣ｆｉｅｄｇａｓｅｓｉｎｂｕｌｋ[Ｓ].ＬＲꎬ２０１７.[４]ＬｌｏｙｄᶄｓＲｅｇｉｓｔｅｒ.ＰｒｉｍａｒｙｈｕｌｌａｎｄｃａｒｇｏｔａｎｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｙｐｅａｔａｎｋＬＰＧｓｈｉｐｓ[Ｓ].ＬＲꎬ２０１７[５]ＩＭＯ.Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｃｏｄｅｆｏｒｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｅｑｕｉｐ￣ｍｅｎｔｏｆｓｈｉｐｓｃａｒｒｙｉｎｇｌｉｑｕｅｆｉｅｄｇａｓｅｓｉｎｂｕｌｋＩＧＣｃｏｄｅ[Ｓ].ＩＭＯꎬ２０１３.[６]郑雷ꎬ李小灵ꎬ王亮ꎬ等.ＶＬＧＣ全船结构有限元分析研究[Ｊ].船舶工程ꎬ２０１５ꎬ３７(增刊１):２８￣３１.ＤｅｓｉｇｎＭｅｔｈｏｄｏｆＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＳｕｐｐｏｒｔｆｏｒＶＬＧＣＧＵＯＹａｎ￣ｓｏｎｇꎬＧＵＡＮＹｕｅ￣ｒａｎ(ＳｈａｎｇｈａｉＷａｉｇａｏｑｉａｏＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈａｎｇｈａｉ２００１３７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｖｅｒｙｌａｒｇｅｌｉｑｕｅｆｉｅｄｇａｓｃａｒｒｉｅｒ(ＶＬＧＣ)ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｕｐｐｏｒｔｗａｓｄｉｒｅｃｔｌｙａｓ￣ｓｅｓｓｅｄｂｙＭＳＣ.ＰａｔｒａｎａｎｄＭＳＣ.Ｎａｓｔｒａｎ.Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｒｏｍｔｈｅｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｄｅｓｉｇｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｏｒｃｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｔｏｔｈｅｆｉｎａｌｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｖｅｒｙｌａｒｇｅｌｉｑｕｅｆｉｅｄｇａｓｃａｒｒｉｅｒ(ＶＬＧＣ)ꎻＦＥＭꎻｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ３７１。

基于CFD的船舶阻力预报方法分析作者：范超张振来源：《科学与财富》2018年第19期摘要：在船舶行驶运输的过程中，船舶阻力是影响船舶速度的主要因素，船舶阻力性能优越不但可以提高船舶的运输效率，可以大大的节约运输成本，提高船舶的经济性能，同时对船舶的行驶安全和使用寿命都有较大的影响。

船舶阻力性能的评估一直是船舶整体性能优化的重要依据，阻力的预报也是船舶工程长期研究的重要内容之一，在研究过程中中，通过分析船舶阻力的形成因素和预报手段最终总结出了通过CFD理论进行阻力预报的方法，而该方法在船舶阻力预报中已经长时间得到广泛应用，本文首先阐述了CFD船舶阻力预报方法的应用现状，然后分析了CFD的船舶阻力预报方法的优缺点，最后总结了CFD理论在船舶行业的发展目标和方向。

关键词：船舶阻力；预报方法；CFD理论计算引言：在船舶整体运行当中最重要的性能就是阻力，船舶阻力的计算与预报一直是船舶工程发展当中所重点关注的内容，将对船舶的行驶效率、运输安全性和使用寿命产生一定的影响，现阶段船舶阻预报还是主要靠模拟实验来计算，通过模拟实验来进行预报，其精确度还是比较理想的，但是船模实验也并非是完美的，在实际操作当中还是存在着缺陷，随着计算机的发展，计算流体力学逐渐兴起，也逐渐被应用与船舶工程当中，而CDF的船舶阻力预报作为一种新型的计算方法，为现阶段船舶工程的发展做出了极大的贡献，其具有广阔的发展前景。

一、目前CFD的发展现状近几年，随着国内科技的快速发展与创新，计算机技术的不断成熟，计算流体力学也得到了进一步发展，由于CFD计算船舶阻力的方法具有费用低廉，没有触点流场测量，没有比尺效应，同时有效排除了实验中由传感器的形态以及实验器材发生形变等不良因素对整体预报结果产生的影响，由于CDF的预报模式最终得到的整体实验数据相对清晰、全面，因此该预报方法近年来得到了船舶工程及相关产业的高度重视，在船舶生产、使用、维护的整体过程中的应用也越发广泛。

基于CFD的喷水推进双体船横移运动水动力性能研究随着技术的进步，喷水推进技术在船舶领域得到了广泛应用。

对于双体船这种特殊结构的船舶来说，其横移运动水动力性能研究显得尤为重要。

本文基于计算流体力学（CFD）方法，对喷水推进双体船的横移运动水动力性能进行了深入研究。

首先，我们对双体船的几何模型进行了建模和网格划分。

采用商用CFD软件对双体船在不同横移运动速度下的流场进行了模拟计算，得到了双体船在横移运动中的阻力系数、升力系数和横移力系数等水动力性能参数。

接着，我们对比分析了不同喷水推进系统的对双体船横移运动水动力性能的影响。

通过调整喷水角度、喷水速度和喷水位置等参数，分析了不同喷水推进系统在双体船横移运动中的效果，并找到了最优的喷水推进系统设计方案。

此外，本文还探讨了双体船的船体形状对其横移运动水动力性能的影响。

通过改变双体船的船体形状，比如船体宽度和平底或V型船艏等，研究了船体形状对横移运动水动力性能的影响，并提出了优化设计建议。

最后，我们对所得到的研究结果进行了总结和分析，并展望了未来的研究方向。

本文的研究成果对于喷水推进双体船在横移运动中的水动力性能优化具有一定的指导意义，同时也为相关领域的研究提供了一定的参考价值。

综上所述，本文基于CFD方法对喷水推进双体船的横移运动水动力性能进行了研究，通过对不同喷水推进系统和船体形状的分析，得到了一些重要的结论，并为喷水推进双体船的设计和性能优化提供了一定的理论依据和技术支持。

希望本文的研究成果能够为相关领域的从业者和研究人员提供一定的参考和借鉴，推动喷水推进技术在双体船领域的应用和发展。

基于FLUENT的五体船静水中水动力特性数值模拟陈淑玲;杨松林;刘智【摘要】The popular CFD software FLUENT was used in this paper to study the hydrodynamic performance of high-speed pentamaran with different transverse distances between the main-hull and the side-hulls. Pressure distribution , resistance coefficient and free surface deformations are investigated for three different distances between the main-hull and the side-hulls at the same velocity. Then we discussed the effect of side-hulls position on the total resistance. Through the research, it is shown that commercial CFD software FLUENT can be used to calculate and simulate the hydrodynamic characteristics of the multi-hull ship with free surface. This provides some foundation and reference on the further research of the hydrodynamic characteristics of the multi-hull ship with CFD software FLUENT.%采用目前广泛应用的计算流体力学软件FLUENT,研究了对应侧体不同横向位置时高速五体船在静水中的水动力特性.通过计算给出了3种不同附体与主体中心距的五体船模在同一航速下的阻力系数,压力分布和自由液面波形等,并分析了附体位置对总阻力的影响.研究表明:将FLUENT软件应用于考虑自由表面的多体船水动力数值模拟和计算中是可行的,为进一步使用FLUENT软件研究多体船的水动力性能提供了依据和参考.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(026)006【总页数】5页(P541-545)【关键词】五体船;FLUENT;阻力;数值模拟【作者】陈淑玲;杨松林;刘智【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U661.1五体船(Pentamaran)是近来发展的一种新船型,其结构由一个主船体和两侧加上4个提供稳性的小侧体组成,静浮时后侧2个浮体有稍许浸沉,前侧2个小浮体的龙骨线位于满载水线之上.国内外已有的理论分析和模型试验结果表明,五体船船型具有高速阻力小,适航性高,稳性较好等优点.文献[1]利用直接计算法对高速五体船结构进行设计,并结合实例阐述了五体船结构设计的外载荷计算、结构分析、疲劳分析等关键问题；文献[2]利用Michell线性兴波理论,以单体船的波谱函数为基础得到了五体船的兴波阻力的计算公式；文献[3]利用高速细长体理论对排水型双体船在波浪上运动性能进行了预报,并可将此理论用到五体船上；文献[4]利用Michell薄船理论,对具有不同纵横向位置侧体的三体船阻力进行了计算,阻力计算结果与试验结果比较接近,可将该理论应用于五体船型的方案优选.作为一种新船型,首要问题之一是快速性,这是评价新船型优劣的基本依据之一.阻力研究途径包括理论计算方法和船模试验研究方法.文献[5]通过试验手段研究了五体船的阻力性能以及五体船后侧体型线形式、位置改变、对称形式、排水量改变、长宽比改变对阻力的影响.文中着重应用数值计算研究方法对五体船型的阻力性能进行系统的研究.1 控制方程与数值计算方法1.1 控制方程对于不可压缩粘性流体,流体遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律, 在笛卡尔坐标系下忽略湍流脉动的影响,流体密度为常数,质量守恒及动量守恒方程形式即为连续方程和Navier-Stokes动量方程,其微分形式为:(1)(2)式中:ρ为流体密度;μ为动力黏性系数;ui，uj为速度分量时均值; 为速度分量脉动值;p为压力时均值;Si为动量方程广义源项；上画线“-”表示对物理量取时间平均.1.2 湍流模型除了标准k-ω模型[6],FLUENT 6.3及以前的版本还提供了剪切应力输运k-ω模型,简称SST k-ω模型.如此命名是因为它为了考虑基本的湍动剪切应力而采用了修改过的湍动粘度定义式.因此,它比标准k-ω和标准k-ε 模型有更好地表现.其它的修正(包括ω 输运方程中的交叉扩散项以及混合函数)则是为了保证该模型在近壁区域和远场都有很好的预测效果.和高雷诺数湍流模型相比,它消耗的计算时间少.文中应用的SST k-ω湍流模型的方程如下:(3)Gω-Yω+Dω+Sω(4)式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,Gω是由ω方程的产生项,它们的表达式都和标准k-ω 模型中的一致；Γk和Γω表明了k 和ω的有效扩散；Yk 和Yω是由湍动产生的耗散,它的表达式和标准k-ω模型中的相同；Dω为交叉扩散项；Sk和Sω是用户自定义的源项.1.3 自由面处理方法在FLUENT中,采用VOF模型用于处理自由液面问题.VOF方法是基于两种或多种流体(或相)互相之间没有穿插这一事实.对于包含空气和水两相流体的空间区域,定义标量函数f,存在水空间点的f 值等于1,其他不被水占据点的f 值为0.在各网格单元上对f 值积分,并把这一积分值除以单元体积, 得到单元的f 平均值,即网格单元中水所占据的单元体积份额,在VOF方法中把这一份额值定义为F.若在某时刻网格单元中F=1,说明该单元全部为指定相水所占据,为水单元;若F=0,则该单元全部为空气所占据.当0<F<1 时, 则该单元为包含两相物质的交界面单元.文中如果F=0.5就认为该空间点为水和空气的交界面.F 函数满足的方程为:(5)2 数值计算2.1 计算模型文中五体船的主体和附体都是采用的Wigley船型建立的模型.Wigley船型作为含自由面船模绕流场CFD具体研究的第一个对象,是因为它有相对比较简单的几何船型,已被广泛研究并获得了一定数量的资料积累[7-9].Wigley船型的几何表达由下面的方程式给出:(6)式中：B是船宽,L是船长,H是船的吃水深度,0≤x≤L,-H≤Z≤0.Wigley船型的主要参数列于表1,其中LPP是垂线间长,CB是方形系数.表1 Wigley船型主要参数Table 1 Principle dimension of the wigley hull.B/LPPH/LPPL/LPPCB0.10.62510.44文中计算对象为小水线面五体船船型.主船体水线长1 m,水线面宽0.1 m.前后端附体长0.21 m,宽0.02 m.前后附体中线与主体中线距离相同.船模主体在静水情况下吃水为0.1 m,后端附体吃水0.06 m,前端附体在水线以上0.01 m.五体船模型如图1.图1 五体船模型外形俯视图Fig.1 Sketch for the layout of the hulls2.2 计算区域及网格划分为尽量消除边界反射的影响,经过多次计算实践并参考相关文献[10-12], 采用的控制域为一长方体, 并按如下方案设置计算控制域的范围及船模在控制域中的位置:船首前端计算区域取1倍船长,船尾后为3倍船长,船底以下计算区域为15倍吃水,甲板以上计算区域为4倍吃水,宽度方向为10倍附体与主体间距.主船体船长为1 m, 得到计算控制域的长、宽、高分别为5,1,1.3 m.模型关于中纵剖面对称,取一半进行计算即可.为简化建模过程,将坐标原点设置在船尾最低点,x 轴取指向船首为正,y 轴取指向右舷为正,z 轴取向上为正.船模在控制域中的位置及控制体情况如图2. 图2 计算流场区域Fig.2 Computation domain of the flowa) 船体表面网格图b) 计算域网格图图3 计算网格透视图Fig.3 Mesh model of pentamaran文中的五体船结构复杂,因此使用单块结构化网格已不能获得较高网格质量的计算网格,为此,采用多块结构化网格,整个计算区域共分77块,在参考作者以前所做的网格收敛性的研究和有关文献资料的基础上,网格单元总数取为560 950.为了模拟边界层内流动,网格在靠近物体表面处加密.图3为计算区域的网格划分图.2.3 边界条件计算区域的边界包括:入口边界、出口边界、船体(含主船体和侧片体)、计算域侧边界和上下边界(包含顶部和底部).①进口边界条件,在计算域的进口处,给定速度为船模航行速度;② 出口边界条件,使用压力出口边界条件,即出口处的水压随水深成线性增加p=ρgh (其中：ρ水的密度, g重力加速度,h水的高度);③ 壁面边界条件,在船体表面上满足无滑移条件;④ 对称面边界条件,在对称面上满足对称面条件.船模航行速度V=2 m/s,对应的傅汝德数为0.7.2.4 数值方法选用计算流体力学软件FLUENT作为求解器,使用有限体积法(finite volume method, FVM)对控制方程进行离散,其中对流项采用二阶迎风差分格式,扩散项采用中心差分格式.离散得到的差分方程组具有高度耦合性和非线性,使用SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equations) 方法求解,时间步长为0.005.3 数值模拟结果及分析计算了3种不同附体与主体间距的五体船船型,3种间距(a)分别为0.08，0.10，0.12 m.通过计算得到了各船型在同一航速下的兴波状况和水的总阻力系数Cd等参数.其中:(7)式中:Rt为船舶总阻力,ρ为水的密度,v为从船舶航速,S为船体湿面积.表2为船舶同一航速下不同附体和主体中心距的五体船总阻力系数,可以发现,在附体与主体中心距为0.10 m时达到最大值,0.12 m时船体的总阻力最小,0.08 m其次.表2 同一航速下,附体与主体不同中心距五体船的总阻力系数Table 2 Total resistance coefficient of pentamaran withdifferent distance between main hull and side-hulla/m0.080.10.12 Cd0.005 3550.005 7970.005 2163.1 船体表面压力分布在FLUENT中,动压力观察动压力图(图4),由于粘性的作用水流速度自船首向船尾逐渐减小,导致动压也随之降低,从图中可以发现有明显的上下分层,这主要是由于空气和水两种不同的流体介质的密度不同造成的.在图中可以看到在船去流段处船尾部分明显比进流段范围大,说明压力有所降低,这是由于粘性的作用使船体去流段的压力恢复不到进流段时的数值,从而产生了一个方向向后的压力差值.此为阻力成分中粘压阻力的形成原因.a) a=0.08 mb) a=0.10 mc) a=0.12 m图4 Fr=0.7时动压力分布图Fig.4 Dynamic pressure distributionon the hull(Fr=0.7)3.2 自由水面线形状图5分别为附体与主体中心距分别为0.08,0.10，0.12 m时船兴波的波形图.由船舶阻力理论[12]可知,船舶总阻力由粘性阻力和兴波阻力组成,粘性阻力主要和雷诺数Re相关,当来流速度相等,雷诺数相同,船舶的粘性阻力系数相等.兴波的波高反应了船体兴波阻力的大小,兴起的波浪越高船体损失的能量越多,船舶兴波阻力就越大.该五体船的水线为-0.068 42,从图中可以看出a=0.12 m时兴波的波高最低,所以a=0.12 m时兴波阻力最小,总阻力最小,这和图4曲线的结果相一致.同时通过观察波形图可以看到附体所在位置对主船体阻力的影响,图6b)中,首部两个附体增加了主船体首部的兴波,船尾部的两个附体也增加了波谷的值,因此造成了船舶主体兴波阻力的不利干扰,使总阻力增加,和图4曲线的结果也一致.a) a=0.08 mb) a=0.10 mc) a=0.12 m图5 Fr=0.7时的自由液面波形图Fig.5 Wave pattern of the free surface(Fr=0.7)3.3 间距对收敛速度的影响图6中给出了Fr=0.7时附体与主体中心距a=0.08,0.10,0.12 m 3种情况下阻力系数Cd时间历程变化曲线,通过图7可以发现计算结果均已收敛,中心距的增加将导致计算收敛速度变慢.因为附体距主体之间的中心距划分的网格数相同,随着中心距的增加网格尺寸变大,网格尺寸的变化导致了收敛速度变慢.a) a=0.08 mb) a=0.10 mc) a=0.12 m图6 Fr=0.7时Cd随时间变化曲线Fig.6 Time history ofCd(Fr=0.7)4 结论利用RANS 方程、SST k-ω湍流模型和模拟自由面的VOF方法对水面高速五体船的水动力特性进行计算, 通过结果分析表明文中建立的模型是可靠的.计算研究表明,五体船的阻力特性和附体横向位置有关,在附体与主体中心距为0.12 m时船体的总阻力最小;通过对水下船体表面的压力分布进一步分析了船体粘压阻力的形成及附体对粘压阻力的影响;通过对自由水线面形状的分析可知,文中附体的位置对主体兴波阻力并没造成有利干扰,因此以后可以通过调整附体与主体之间的纵向距离对五体船的阻力特性进行进一步的研究.同时附体与主体横向间距的增加将导致计算收敛速度变慢.参考文献[1] 卢晨,肖熙. 高速五体船结构设计的几个关键问题[J].船舶，2004, 10(5):21-26. 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基于CFD的船舶船体总阻力预报方法CFD是计算流体力学的缩写，是用于分析流动场和计算阻力的一种数值分析技术，被广泛应用于船舶航行性能的研究中。

船舶航行受到水的阻力影响，因此预报船体总阻力是航行设计的重要环节之一。

下面我们将介绍一种基于CFD的船舶船体总阻力预报方法。

首先，我们需要获取船体CAD模型，并将其转换成CFD模型。

这可以通过将船体CAD模型导入专业CFD软件中实现。

在导入后，我们需要对该模型进行网格划分。

网格划分是CFD仿真的关键，它直接影响着计算的准确性和效率。

通常使用的网格划分有结构化和非结构化两种，根据具体情况选择更合适的划分方式。

划分完成后，我们可以开始进行计算。

CFD计算分为两个步骤，第一步是求解流场，第二步是求解阻力。

在求解流场时，我们需要确定边界条件和流体动力学模型。

边界条件决定了计算模拟的流体力学环境，如流速、压力等。

流体动力学模型根据流体动量守恒、能量守恒和质量守恒原理进行建模，它是计算模型的核心。

求解完流场后，我们就可以得到船舶水上表面的压力分布，从而可以进入第二步。

在求解阻力时，我们可以采用CFD直接计算或计算流体力学辅助设计（CFD-Aided Design，CAD）的方法。

CFD直接计算是通过计算船体表面的摩阻、压力和粘滞阻力等来得到总阻力。

这种方法计算比较直接，但在精度上相对较低。

而CFD-Aided Design方法是在CFD计算的基础上，将得到的阻力值进行预测和优化，同时还可以对设计参数进行调整，从而得到更准确的预报结果。

最后，我们对CFD计算结果进行验证。

CFD计算结果需要与模型试验结果进行比对来验证其准确性。

我们可以通过数值模拟得到船舶在不同航速下的阻力系数（即船舶所受总阻力与动压力之比），并与实测值进行比较，从而可以验证CFD计算的可靠性和准确性。

如果CFD计算结果与试验结果相差不大，则说明所采用的计算方法比较可靠。

以上就是基于CFD的船舶船体总阻力预报方法的介绍。

基于CFD的三维船体摩擦阻力预报与验证
杨培青;管义锋
【期刊名称】《船舶工程》
【年(卷),期】2007(29)3
【摘要】利用流体软件FLUENT,对某三维船体的粘性绕流进行数值模拟,得到在不同航速下,在不考虑自由液面情况时船体摩擦阻力系数,通过把计算结果和经验公式相比较,验证了FLUENT用于预报三维船体摩擦阻力的有效性.
【总页数】4页(P61-64)
【关键词】船舶动力学;三维船体;粘性流场;摩擦阻力;FLUENT
【作者】杨培青;管义锋
【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U661.3
【相关文献】
1.船体固有频率预报及实验验证 [J], 江世媛;王绍鸿;杨燕
2.基于RANS法和边界层理论预报三维船体阻力 [J], 胡俊明;李铁骊;林焰;徐雪锋;徐利刚
3.肥大型船模操纵性水动力CFD预报的试验验证分析 [J], 杨超峰;吴宝山;沈泓萃
4.基于CFD软件的三维船体粘性流的数值模拟 [J], 黄丽
5.基于CFD的船舶船体总阻力预报方法 [J], 张艳;阙晓辉
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