CFD在船舶行業中的發展和應用

摘 要：船舶CFD技術發展已有四十多年的歷程，值此之際，文章簡述了CFD的基本概念和發展歷程，著重介紹了目前CFD的研究現狀及特點，對CFD商業化和其在船舶行業的進一步發展作了簡要分析，并給出一些有關個人的看法。

關鍵詞：CFD；流體；應用

1 基本概念

CFD是采用數值計算方法來描繪流體運動的一門技術，其所描繪的流體運動狀態有以下情況：傳熱、流動、化學反應過程及固、流體之間的相互作用等。理想流體在上述所提及的運動過程中會始終保持質量、動量和能量守恒，設定一個有限控制體并針對這個控制體分別建立動量、質量、和能量守恒的基本方程，運用數值方法取得結果即是CFD要處理的主要問題。船舶CFD方法是應用理論流體力學或者數值流體力學方法，來計算和預報船舶水動力性能的一種方法，其通過采用模擬牛頓不可壓縮流體三維湍流運動的壓力場、速度的方式來進行計算和預報，計算和預報內容包含了對波形狀況、伴流、阻力等的研究，以及對船舶直航性能、敞水性能、操縱性能以及推進性能等進行研究，以達到預測船舶性能、優化船舶設計方案和對船舶周圍流場現象及理論進行分析研究的目的。

2 CFD技術的發展歷程

船舶CFD的發展歷程主要經歷了三個階段，第一個階段是船舶CFD初始發展階段，在上世紀七十年代末，英國帝國科技大學的博士生Abdelmeguid A.M在他的畢業論文里開創性的提出了關于船舶流動的數值計算方法，他使用的方法來自于傳熱問題的計算技術。第二個階段是由1985年到1993年，因為及早確定了船舶CFD的發展方向和目標，所以船舶CFD的理論研究向著成熟化和多元化前進。最先是L.Larsson等提出來的適用范圍較大的數值貼體網格生成方法，接下來是有限解析格式方法的應用，吸引了當時很多研究人員的目光。在這其中應用比較成功的是一種共位非交錯的網格配置方法，并且由該方法導出了根據該速度配置的相融解法。第三個階段是由1993年起到現在，隨著計算機技術的飛速發展和計算數學理論的不斷完善，計算方法也呈現出了跨越式的發展，很多優秀的 CFD程序得到了擴散，很多商用CFD軟件也逐漸加入了該市場領域，所以很難分辨出哪種方法或者哪種軟件的計算結果是最好的。

3 目前CFD的發展現狀及特點

（1）代數方程求解法。由于偏微分方程是控制方程，它的求解過程必然會得到大線性代數方程組的求解，增加迭代收斂的速度和減少內存，使其滿足精度要求，是該算法的主要研究目標。

（2） 計算網格自動產生法。網格自動產生的研究工作主要集中于對復雜幾何形狀的描述。

（3）控制方程離散法。主要方法有差分法、有限體積法和有限元法。

（4）湍流模擬方法。對于例如像船舶后體部分流動模擬的大雷諾數流場而言，最為重要的是湍流控制方程和湍流模式。直接數值求解法（DNM），平均雷諾N-S方程法（RANS），以及大渦模擬法（DVS）是目前比較通行的主要算法。

（5）不可壓縮流體的算法。當前，壓力泊-桑算法及虛擬不可壓縮算法引起了很多研究人員的注意。因為前者的壓力場直接應用方程就可以求解；而后者連續方程中的壓力項被引入了虛擬時間的開方，用以達到恢復雙曲線控制方程的目的。

船舶CFD亦有著其自身獨有的特性，其如下所示：

（1）自由表面：船舶常處于空氣和水這兩類流體中，但是由于空氣介質的粘性比水介質約小兩個量級，導致空氣介質的自由表面粘性應力非常小，常常可以忽略不計，所以這種現象非常接近于勢流假設。

（2）船型復雜化：船舶主要是依靠靜浮力來支撐船體的。不僅周圍流體流動現象較為復雜多變，而且不能有任何的簡化處理，因此船型的數學表達方式都是相當的復雜。

（3）全尺度模型：CFD采用1：1全尺度的幾何模型，在真實幾何尺度上進行求解計算，避免了模型按比例縮小實驗所帶來的尺度效應問題。

（4）高精度要求：由于船體附近具有明顯的渦旋狀結構特征，附近梯度大，這就要求對船體尺度本身和梯度都要能夠做到精確模擬，因此船舶CFD有著很高的精度要求。

（5）不可壓縮約束：我們考慮到質量守恒方程成了約束條件，那么不存在壓力項的發展方程，就需要特設的技術來進行求解。

（6）系統化：針對船體、螺旋槳、舵及附體等，CFD可以總體上把握整個系統的整體特性，在局部上把握各組件自身的整體特性和之間的相互干擾及影響作用，避免了單獨的進行各組件的水動力性能研究。

（7）驗證：模型實驗，特別是模型的流場實驗結果與其實船的測量結果是否對應是CFD計算結果正確與否的唯一驗證標準。

和傳統的模型試驗相比，船舶CFD技術更加適用于開發新船型和特殊船型，并具有明顯優勢。值得我們注意的是基于CFD技術的計算和設計不能完全取代模型試驗，其結果必須得到實驗驗證，但船舶CFD技術可以為模型試驗提供指導和幫助，使模型試驗在船型優化和方案優選的過程中效率更高。

4 CFD的商業化

（1）實用性能：到現在為止，船舶CFD軟件的功能包括有船舶阻力計算、船舶操縱性能計算、螺旋槳敞水性能計算和船-槳配合計算等等，用以滿足設計要求。

（2）可靠性能：在其擁有足夠精度的前提下，CFD軟件才可以對船舶水動力性能進行計算和預報。

（3）有效性能：CFD軟件可以在計算機系統和特定的CAD環境下簡單的生成、處理數據文件，可以通過計算機工作站來運行CFD軟件。

（4）通用性能：確保同CAD的再聯接的必不可少的措施有：一是具備與CAD的良好的有效接口；二是保證CFD軟件運算結果具有相對應的后處理措施。

（5）可維護性能：CFD軟件的維護不應該依賴于用戶，應具有自身維護的能力，并且應該具有文件數據保護、法規支持和驗證等的能力。

（6）便攜性能：CFD軟件不受計算機機型的限制，可以自由選擇合適的機器內存和CPU，方便可攜帶。

5 CFD在船舶行業的發展目標和方向

目前國內CFD研究及發展在理論研究方面與國外研究進展狀況相當，如湍流DNS數值模擬技術，非定常動態數值模擬技術研發等。但CFD技術的軟件化程度和商業化程度，以及在工程應用的廣度和深度方面都與歐美國家存在較大的距離，特別是船舶工程領域中CFD技術的應用還遠遠不夠，如果不能積極采取相應措施，這一差距不但不能縮小、消除，甚至還有繼續擴大的可能。這種狀況勢必會對我國造船行業的創新能力和國際競爭力造成嚴重影響。當務之急，必須加快突破基于CFD的船舶設計中的各項關鍵技術，逐漸完備模型與實船相關實驗結果的數據庫內容，加速完善數學模型和方程，改良數值計算方法，擴大CFD應用的范圍，增強實驗驗證的手段和方式，來達到與CAD的有效結合。盡快建立基于CFD的船舶設計框架，推進已有的CFD技術在船舶實際設計中的應用發展，建立統一的質量標準體系，使我們的船舶工程設計從傳統經驗模式轉向基于先進數值評估理論的知識化模式，大幅度的提升我們船舶設計的創新能力，降低我們船舶設計優化周期和成本，這是我們當前和今后船舶CFD發展的主要任務和主要目標。

參考文獻

[1]趙峰，李勝忠，楊磊，劉卉. 基于CFD的船型優化設計研究進展綜述.船舶力學，2010：1007-7294

[2]王晶輝，楊校剛，張曉君，CFD技術及其在螺旋槳敞水性能預報上的應用，中國水運，2011：1006-7973

作者簡介：莊亞龍（1978.2-）男，籍貫：江蘇省揚州市，現職稱：助理工程師，學歷：大學專科，本科在讀，研究方向：船舶制造。