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972023年·第4期·总第205期基于ＣＦＤ的直接进气系统在船舶上的研究与应用冯树才 曲东旭 陈彦臻 李 智（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 ２０００１１）摘 要：…为进一步降低船舶能耗，该文以某大型散货船为研究对象，提出直接进气系统的设计方案。
基于计算流体力学（computational…fluid…dynamics,…CFD）数值模拟法，对设计的合理性进行分析，并对直接进气系统在实船上的应用进行探讨。
理论分析与实船验证结果表明：进气风道内流速与设计流速相符，直接进气系统总阻力远低于许用限制值，通过增压器的自吸能力可直接吸入舷外空气，系统设计合理；应用该系统后，主机、辅机油耗降低，机舱风机运行总能耗降低50%，初始投资回收周期短，可降低船舶运营成本。
关键词：直接进气系统；计算流体力学；数值模拟；实船应用；船舶运营成本中图分类号：U664.86………文献标志码：A………DOI ：10.19423/ki.31-1561/u.2023.04.097Research and Application of Direct Air Intake System on ShipsBased on Computational Fluid DynamicsFENG Shucai QU Dongxu CHEN Yanzhen LI Zhi(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)Abstract: A design scheme of the direct air intake system of a large bulk carrier is proposed in order to reduce the energy consumption of the ship. The rationality of the design is analyzed by numerical simulation based on the computational fluid dynamics (CFD). And the application of the direct air intake system on the ship is also discussed. Theoretical analysis and ship trial show that the flow velocity in the intake duct is consistent with the designed flow velocity, and the total resistance of the direct intake system is much lower than the allowable limit value. The outboard air can be directly inhaled through the self-absorption capacity of the turbocharger, and the system design is reasonable. By applying this system, the fuel consumption of the main engine and auxiliary engine is reduced, the total energy consumption of the fan in the engine room is reduced by 50%, and the initial investment recovery cycle is short with reduced cost of ship operation.Keywords:…direct air intake system; computational fluid dynamics(CFD); numerical simulation; real ship application; ship operating costs收稿日期：2023-05-08；修回日期：2023-06-15作者简介：冯树才（1981-），男，本科，高级工程师。
船舶设计中的CFD模拟与性能优化研究船舶设计中的CFD模拟与性能优化研究在现代船舶工程领域中扮演着重要的角色。
基于计算流体力学（CFD）模拟，船舶设计者能够通过分析和优化船体、船舱、推进设备和其他与船舶流体力学相关的部件来提高船舶性能和效率。
本文将重点探讨CFD模拟在船舶设计中的应用，并介绍优化策略以提高船舶性能。
CFD模拟是通过使用数值方法来模拟流体流动和传热现象的技术。
在船舶设计中，通过CFD模拟可以准确地预测船舶在不同流动条件下的流体力学特性和性能表现。
CFD模拟可以帮助船舶设计师了解船体在不同速度下的阻力和流线型，以及推进装置产生的推力和推进效率。
此外，CFD模拟还可以用于研究和优化涉及船体结构和推进设备的细节设计。
船舶推进效率的优化是船舶设计中的一个重要方面。
通过CFD模拟，可以精确计算船舶在运行过程中的阻力和推力，从而确定最佳的推进装置和推进功率。
同时，通过调整船体的外形设计和船体附加装置，如船底舵和螺旋桨喷水装置等，可以改善船舶的流体动力学性能和降低能耗。
船舶的阻力形成船舶在水中运动时所需的推动力。
通过CFD模拟，船舶设计师可以研究如何减小船体的阻力，从而提高船舶的速度和能效。
例如，通过调整船体的几何形状，减少船体表面的阻力和摩擦力，船舶的阻力可以得到降低。
此外，通过在船底舵和螺旋桨等部件上安装类似凸起物的附加装置，可以改善流体的分离和流线型，减少湍流，提高船舶的流线型和流体动力学性能。
船舶涡流对航行性能和船体稳定性具有重要影响。
通过CFD模拟，可以分析船舶周围的流场，了解涡流的产生和演化过程，从而优化船舶的设计。
例如，在设计船体的下水口和船体船底时，可以通过CFD模拟，确定合适的尺寸和形状，以避免过多的涡流产生，降低水阻和航行噪音。
此外，通过调整船舶的航行速度和角度，可以改变湍流产生的位置和强度，进而优化船舶的流体动力学性能和航行稳定性。
除了船体设计的优化，CFD模拟还可以用于优化船舶推进装置的设计。
10.16638/ki.1671-7988.2018.07.012基于CFD仿真分析的某项目进气系统优化李光武，邢冠华（华晨汽车工程研究院动力总成综合技术处，辽宁沈阳110141）摘要：进气系统压力损失及系统内的气流均匀度是影响发动机性能（功率，扭矩，寿命）及整车性能（油耗，排放等）的重要指标，根据经验，压力损失每增加1KPa，将损失大约3%的功率、扭矩；如果空气滤芯的气流均匀度不好，将影响空气滤芯的滤清效率及容尘量性能，从而影响发动机性能及寿命；如果空气流量计表面的气流均匀度不好，会影响空气流量计信号，导致EUC控制的喷油量不准确，从而导致油耗变多，排放过高，所以，在进气系统开发过程中，CFD仿真分析显得尤其重要，不仅可以满足发动机性能的要求，对整车油耗及排放也有积极的影响。
关键词：进气系统；CFD仿真；压力损失；气流均匀度中图分类号：U463.6 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)07-37-04Using CFD Simulation to Optimize Air Intake SystemLi Guangwu, Xing Guanghua（Brilliance Auto R&D Center, Powertrain Integrated Technology Section, Liaoning Shenyang 110141）Abstract:Pressure loss and inner air flow uniformity of air intake system is an important impact for performance of engine(power, torque, lifetime) and vehicle(fuel consumption, emission and so on), as a rule of thumb, 1KPa increase of pressure loss, power and torque of engine will loss 3%, if inner air flow is not uniform enough, filtration efficiency and duct holding capacity of filter element will be worse and there will be a bad effect for engine performance and lifetime; if the air flow around mass air flow sensor is not uniform enough, it will affect signal of mass air flow sensor, ECU will get wrong information and fuel volume provided to engine will be wrong, and fuel consumption will be higher and a bad effect for emission. So, CFD simulation is very important for air intake system development, it can help fulfill target of engine, and also have a better effect for fuel consumption and emission.Keywords: Air intake system; CFD simulation; pressure loss; air flow uniformityCLC NO.: U463.6 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)07-37-04前言在进气系统开发前，发动机会对进气系统提出压力损失的目标要求，压力损失是影响发动机性能（功率，扭矩，寿命）及整车性能（油耗，排放等）的重要指标[1]，压力损失在前期无法用样件进行台架验证的前提下，我们可以通过CFD仿真分析去计算进气系统压力损失的性能。
基于CFD水泵单元进出口流道优化设计陆钧成;冯静【摘要】进出口流道的大小和形状是决定水泵单元能否稳定运行的重要因素.流体流道形状和方向的突然变化都可能产生回流漩涡,使得流体内部的压强波动增加,产生振动和噪声.应用CFD仿真分析软件Ansys Fluent的分析结果,对不同大小和形状的水泵进出口结构形式进行仿真,与当前结构形式进行对比,并考虑现有安装空间的限制,得出优化设计方案,从而解决水泵单元存在的振动和噪声问题.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】5页(P44-48)【关键词】流道优化;压强波动;回流;减振降噪;Ansys Fluent【作者】陆钧成;冯静【作者单位】中船重工第七二三研究所,江苏扬州225000;中船重工第七二三研究所,江苏扬州225000【正文语种】中文【中图分类】TH137.52本研究以5.0 MW风力发电机冷却系统的水泵单元为研究对象，在水泵单元形式试验时，出现了异常振动和噪声现象。
排除机械旋转的因素，振动和噪声主要是由于流体流道的突变所引起的[1]。
文献[2-3]从稳定性、压力波动和噪声频谱分析研究了流体所引起的振动和噪声问题。
认识流体流动噪声的本质必须从流场分析入手，研究流动、气穴和噪声之间的内在联系。
CFD的发展为这项研究提供了科学手段，国内外的研究者针对流体流态、气穴现象和流动噪声等做了大量开拓性的研究工作[4-7]。
由于安装空间的限制，水泵进出口不能做成直进直出的结构形式，本研究针对水泵单元的异常振动和噪声现象，利用CFD软件Ansys Fluent对不同进出口管径、偏角以及过度圆角的流道，进行了数值仿真。
通过对比仿真结果，并考虑到现有安装空间的限制，对水泵进出口流道结构进行优化设计，得出了优化设计方案，从而从根本上解决了振动和噪声问题。
1.1 几何模型优化前水泵进出口结构形式如图1所示，此时水泵进出口管径为35 mm，进出口偏角为90°，采用直角过渡，流量为300 L/min。
船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计船舶水动力性能是研究船舶在水中运动的重要领域之一。
为了提高船舶的航行速度、操纵性和能效，工程师们利用计算流体力学（CFD）模拟技术开展了大量的研究与优化设计工作。
本文将介绍船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计方法，并探讨其在船舶工程领域中的应用。
1. 模型构建船舶的水动力性能主要包括波浪阻力、湍流阻力、粘性阻力和激波阻力等。
在进行CFD模拟前，首先需要构建船舶的几何模型。
根据不同的船舶类型和设计需求，可以选择不同的建模方法，如传统的离散几何模型或参数化设计模型。
通过建模软件，将船舶的几何形状转化为计算机可识别的几何信息，为后续的模拟分析做准备。
2. 网格划分在进行CFD模拟时，网格划分是非常重要的步骤。
网格的划分质量将直接影响模拟结果的准确性和计算效率。
通常情况下，船舶的复杂几何形状需要采用结构化或非结构化网格划分方法。
结构化网格适用于简单几何形状，而非结构化网格则适用于复杂几何形状。
通过优化网格划分，可以更准确地模拟和预测船舶在水中的运动行为。
3. 流场模拟在进行CFD模拟时，需要建立适当的物理模型和数值模型。
根据船舶运动的特性，可以选择合适的流体方程和边界条件。
在求解过程中，采用合适的数值方法和稳定性算法，以保证模拟结果的准确性和稳定性。
通过CFD模拟可以获取船舶在不同操作条件和流场环境下的运动特性，如阻力、流线和压力分布等。
4. 优化设计基于CFD模拟结果，可以进行船舶水动力性能的优化设计。
通过调整船体形状、推进系统和尾流控制等参数，可以改善船舶的流线型和水动力性能。
优化设计的目标往往是降低阻力、提高速度和操纵性，以及减少燃油消耗和排放。
通过多次CFD模拟和参数优化，可以找到最优设计方案，从而提高船舶的性能和效益。
5. 应用实例船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计已经在实际工程中得到广泛应用。
例如，在船舶船型设计阶段，工程师们利用CFD模拟技术对不同船型进行了性能比较和优化设计；在推进系统设计阶段，CFD模拟可以帮助确定最佳螺旋桨参数和布局方案；在船舶舵系统设计阶段，CFD模拟可以预测船舶的转向性能和操纵稳定性。
基于CFD和响应面方法的最小阻力船型自动优化钱建魁;毛筱菲;王孝义;恽秋琴【摘要】计算流体动力学CFD方法凭借其较高的计算精度和获取更多流场信息的能力逐渐成为新船型设计重要手段.文章利用iSight多学科优化平台建立了一套船型优化系统,集成了CFD技术、船型变换及自动生成技术和响应面代理模型技术和组合优化算法.编制了船型参数变换和生成系统实现了船型变换和CFD计算程序Shipflow输入数据的自动连接；通过对主要船型参数的控制,实现整个船型优化流程的自动化.采用了进化遗传算法(GA)与二次序列规划法(SQP)相结合的二阶组合优化方法实现了从全局探索再到局部空间寻优的整个流程.同时,将响应面近似模型(RSM)引入到优化进程中,解决了计算精度与优化效率间的矛盾,使得高精度的CFD 分析工具融入到船舶优化设计进程中成为可能.最后利用该系统对一条设计船的阻力性能进行了优化.%CFD based Ship hydrodynamic Performance analysis, due to its high accuracy, efficiency and more flow information, has become a decisive factor in the development of new ship forms. In this paper, a hull form optimal system is established by means of iSight Multidisciplinary Optimization platform on which the CFD technology,hull transformation and automatic generation,Response surface metamodel tech nology and hybrid optimization algorithm are integrated. The hull form transformation and generation pro gram is developed so that hull form transformation is automatically connected with CFD commercial code SHIPFLOW computation. Through controlling the principal dimensions and shape parameters, the entire automatic optimization process is implemented. The Genetic Algorithm-Sequential Quadratic Programming combined secondorder hybrid optimization method is applied to implement the process from the global op timization to searching local space optimum solution.Meanwhile, the Response Surface Method is intro duced to the optimization process, which constitutes a balance between the calculation accuracy and op-timization efficiency, and makes it possible for the CFD method being adopted in the process of ship hull optimization. Finally, this optimal system is successfully applied in the resistance optimization of an actual ship and better resistance performance is acquired.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2012(016)001【总页数】8页(P36-43)【关键词】船型优化;船型变换;CFD;响应面方法(RSM);遗传算法【作者】钱建魁;毛筱菲;王孝义;恽秋琴【作者单位】武汉理工大学,武汉430063;武汉理工大学,武汉430063;中海油服股份有限公司,天津300451;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082【正文语种】中文【中图分类】U6621 引言近年来随着电子计算机技术的飞速发展以及数值计算理论的不断成熟，计算流体动力学CFD方法凭借着其较高的计算精确度和相对低廉的费用，且能得到比模型试验更多的流场信息，正逐渐成为重要的船舶水动力性能分析手段。
基于CFD方法的船舶水动力性能预报及优化CFD方法因其预报精度高、适用性广、计算结果稳定、可重复性高、成本低廉、周期短等优势,在各领域受到广泛关注。
CFD方法在船舶水动力学性能的研究中主要集中在三个方面:船舶水动力性能预报、船舶水动力问题机理研究以及船舶水动力性能优化。
本文使用CFD方法对船舶水动力性能预报、机理研究以及优化展开研究。
首先,对CFD基本原理进行阐述。
根据船舶水动力学问题的特点,详细叙述了控制方程、有限体积离散、边界条件、湍流模型等。
此外,对CFD不确定度分析展开研究。
提出一种可考虑因子间交互作用的多因子CFD不确定度分析方法,并使用该方法对船舶静水总阻力预报展开不确定度分析。
分析中包括网格尺寸、时间步长、网格形式和湍流模型四个因子。
该方法是对原方法方法改进而来,使用正交试验方法替代原方法中的控制变量法,可对各因子同时展开分析。
该方法中,各因子的不确定度分析同时展开,分析中考虑了各因子间的相互影响。
且由于各因子同步进行分析,解决了原方法中各因子独立分析时其他因子的参数设置依赖于经验的问题。
其次,使用CFD方法预报船舶水动力性能,包括船舶静水阻力、螺旋桨水动力性能、船舶操纵性及船舶耐波性等。
在船舶水动力性能预报的基础上,发挥CFD方法的优势,对三个特殊的船舶水动力问题的机理展开研究。
包括船舶航态对静水总阻力预报精度的影响、螺旋桨尺度效应问题以及四桨船内外桨载荷分布不均匀产生的原因。
对于船舶航态对静水总阻力预报精度的影响,对比了航态对过渡型船舶和排水型船舶的静水阻力预报精度的影响。
对于螺旋桨尺度效应问题,使用全相似方法对螺旋桨尺度效应问题进行分析,结果表明在全相似条件下,模型尺度和实尺度螺旋桨的尺度效应基本消除。
在对四桨船内外桨载荷分布不均匀性问题的研究中,发现螺旋桨周围流场存在3个区域:尾流区、加速区和减速区。
尾流区为螺旋桨正后方(桨盘范围内)区域,该区域内流体流速极大。
布置在此区域内的螺旋桨载荷将大幅减小。
基于CFD的尾水冷却器布置方案优化
赵峰;刘卫东;阚阚;曹春建;蔡志洲
【期刊名称】《河海大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(50)6
【摘要】为解决水电站二次循环技术供水冷却器传统布置方案存在的依赖工程经验、检修困难和降低水轮机效率等问题,通过对尾水渠三维流动定常数值模拟,提出了一种基于计算流体力学(CFD)的尾水冷却器布置优化方法。
通过对模拟结果中尾水管上方平台拟安装冷却器区域内流场的流线、流速、湍动能等多个物理量的空间分布特性进行分析,选定来流速度较大的位置安装冷却器,建立了考虑实际冷却器几何模型的复杂尾水渠三维流动域模型进行数值模拟校核,以验证该布置方案的合理性。
模拟及校核结果表明,此方案不仅满足冷却器的散热要求,同时便于检修和能避免对机组运行产生影响。
【总页数】6页(P138-143)
【作者】赵峰;刘卫东;阚阚;曹春建;蔡志洲
【作者单位】河海大学能源与电气学院;中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TV735
【相关文献】
1.甘再PH1水电站尾水布置方案优化
2.甘再PH1水电站尾水布置方案优化
3.机油冷却器水套的CFD优化改进
4.内错尾巷布置参数优化的CFD模拟研究
5.大型尾水调压室底部交汇型式CFD分析与优化
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基于CFD的船舶自流冷却系统进水口形式优化摘要：对凝汽器的冷却效果和船舶航行产生极大影响的是船舶自流冷却系统进水口的结构。
对于不同形式的进水口，采用了软件对船舶自流冷却系统进行了数值模拟，分析了进水口形式的流动特性，介绍了尾流场、航行阻力、流量等。
航行阻力的和流量的大小受到进水口外伸长度的直接影响。
而直管口对外流场的影响较小，并且能够获得大的流量。
应结合出水口来对进水口进行相应的设计，因为出水口相耦合对尾流产生影响。
关键词：尾流场流量数值模拟进水口形式自流冷却系统
中图分类号：u6 文献标识码：a 文章编号：1007-0745（2013）05-0202-01
大型船舶的水泵的尺寸和功率都较大，因为其所需的冷却水量较大。
汽轮机组作为大型船舶的主动力设备，其产生的乏汽被排入凝汽器。
对乏汽进行冷却时，需采用水泵抽吸海水的方式来实施。
自流式冷却水系统能够依靠船体在前进时，与海水的相对运动而产生的动水头来给凝汽器提供冷却水。
因为自流式冷却水系统的设计是将冷却水的进口管面朝船舶行驶方向进行设计的。
冷却泵在低航速度的工作情况下，冷却系统中进入了大量冷却水，在节省了舱内的空间的同时还节省了动力，并且减小了泵的尺寸，驱动的功率也大大地降低了。
水在经过外伸进水口的同时，不但会产生水动噪声，还会影响到螺旋桨的水动力其性能，这时由于流动分离导致了伴流场恶化。
所以，要想尽量减小对尾流场以及附加拖拽阻力，就必须
正确选择冷却系统进水口的几何参数，来确保为了满足凝汽器的冷却水量，其系统必备的可靠性。
伴随我国科学技术的高速发展，作为一种重要的设计手段，以现代化大容量高速的计算机为基础，计算流体力学已经被人们广泛应用。
为达到选优的目的，就需要使用cfd模拟的实际流动，比较、分析其产生的结果。
在此，文章仿真计算了不同形式进水口流动特性，优化了进水口的结构。
1、计算数值与网格生产
动量方程与不可压缩流体连续方程为：，湍流能耗散率方程：为用户定义；为由浮力所产生的湍流动能；是由流速度梯度所产生的湍流动能。
参加计算模型除了进水口、外流场，还包括了出水口、阀门、凝汽器、水泵等的冷却系统内流管路的各个部件。
为了对整个自流冷却系统管路内部的流动特性进行模拟，模块化处理了进水口网格、内部管路网格、外流场网格等。
将不同的进水口模块与各个模块拼接组合，经过各个交界面的设置，整体的计算网格就形成了。
如果，对外流场仅取对称半边计算域来进行网格的划分，在假设船体左右对称的情况下，则可以采用局部加密的非结构网格。
网格的总数量为两百万，域尺寸可以根据周向乘以径向再乘以轴向的方法来进行计算，为0.5l×1l×3l，l为船长。
在进行计算时，在相同的流域环境中，放入不同结构的方案，具体参数有：表面粗糙度、水的密度和网格的划分、设置边界条件、湍流模型。
对不同形式的进水口结构形式进行了对比，如图1所示。
边界条件可在计算中采用。
①分界面边界，设置流体是流通的，
进水口面为分界面。
②壁面边界，设置管道壁面以及船壳表面为无滑移壁面。
③对称边界，若船体水下部分与龙骨的子午面平行与对称面的速度分量其法向导数则为零，而垂直于对称面的速度分量也为零。
④出流边界，船尾部船体长度部位为出流边界。
⑤速度进口边界，航速为来流速度，船体不动。
2、分析计算结果
2.1不同进水口外伸长度影响到重要流动特性
进水口流量受到外伸长度的影响，即外伸长度越长，进水口量也增大。
但是，当外伸长度达到一定量时，增加流量的情况也变得不显著。
可以看出，随着外伸长度的增加，流量的增长率也在变小。
来流产生动压头变小，说明进水口外伸长度偏短。
流速低是因为边界层的存在。
进水口外伸长度越长，附加阻力越大，管壁表面所受的压力就会越高，同时也增大了来流速度，整管的迎流面积变大。
所以，船的总航行阻力的增大是受到进水口外伸长度的增加的影响。
应尽可能地减小进水口的外伸长度，因为阻力伴随外伸长度的增加而增加。
在设计自流系统进、出水口时，要结合耦合作用来进行考虑，进水口外伸越长，反而会减小不均匀度，并同时削弱了出水口对尾流场的不良影响。
出水口和进水口的共同作用会对尾流产生影响。
螺旋桨盘面不同半径的分布受到外伸进水口的影响较为明显，其影响会随着半径的扩大而渐渐降低。
2.2比较不同进水口的形式
采用渐扩管时，因为在进入管道后流体流速降低，通流面积变
大，使得管道内壁的压力降低，管道外壁的压力增高，要想获得大的流量比较困难，因为这种形式的进水口的同流面积较小，在拐弯后，内壁的周围有扩散效应产生，从曲率中心向管子外壁出现了离心力，流体产生分离的同时，后面的弯管使流体转向。
采用直管口时，流动损失较小，在入口处流体基本不产生扰动。
采用渐缩管口时，伴随截面积的减小，后边的管道截面小于进口面积，在外界流体的推动作用下，进入管口的流体不能及时通过狭窄的喉部，反向溢流导致对外流场的扰动，降低了管口内流速，最终形成堵塞。
从分析得知，比起渐缩管口与渐扩管口的形式，直管口的形式是最优、最合适的选择。
外流场流动的情况由于采用了渐缩管口的形式所以情况更加恶劣，不仅会产生水动噪声，还会增加粘压阻力，消耗大量的动能，在压差的作用下，来流方向与流动的方向相反，就会产生漩涡，流体绕流管口降低了其速度。
而顺着来流方向来布置直管形进口的话，流态状况良好。
但是会产生水动噪声，因为渐扩管口有个高速去在转弯外缘处。
自流式进水口不采用圆锥形或倒圆、倒角收缩管，不会导致流量下降、阻力增大。
而抽式的进水口的采用减小了进口阻力，减小流体的分离区，平稳了流体沿进口边缘转向时的流动。
结束语
不同于抽吸式进水口，自流式进水口在相同管径条件下，对外流场的扰动小，自流流量大。
自流流量的大小取决于进水口外伸长度。
在对进、出水口进行设计时，要先综合考虑尾流、阻力、流量
等方面因素。
要结合出水口来对进水口进行优化设计，进水口的外伸长度越长，会使尾流分布更加趋于均匀。
参考文献：
[1]曾谊晖，鄂加强，朱浩，龚金科.基于贝叶斯网络分类器的船舶柴油机冷却系统故障诊断[j].中南大学学报，2010（4）.
[2]陈伟智，张维竞，张小卿，许婉莹，唐强.船舶中央冷却系统节能技术研究[j].节能技术，2012（6）.。
