二維船型CFD的阻力評估

諸葛奕東

【摘 要】隨著船舶行業的迅猛發展，對于船舶阻力方面的研究越來越引起學者們的重視。另一方面，關于船舶減阻的研究也到了廣泛地關注。本文基于FLUENT軟件對二維船型進行了阻力特性研究。首先通過FLUENT前處理軟件GAMBIT軟件進行建模，然后劃分網格后，將劃分網格后的生成mesh文件，最后在FLUENT中進行數值計算。

【關鍵詞】阻力；建模；FLUENT；數值計算

0 引言

船舶阻力是影響船舶快速性的重要內容之一。阻力性能良好的船舶可以提高運輸效率，節約能源，也直接關系到船舶的經濟性能。船舶阻力性能評估是船型優化的重要依據。研究船舶航行中的阻力問題對改善船舶快速性具有重大作用。經過多年的發展，關于船舶阻力研究的手段和方法越來越多，內容越來越深入，準確性越來越高，其對船舶設計和建造的貢獻也越來越突出。準確的阻力評估可以有效地為后期的工作提供很大的便利。

1 GAMBIT和Fluent簡介

GAMBIT軟件是面向CFD的專業前處理器軟件，它包含全面的幾何建模能力 ，具有靈活方便的幾何修正功能，當從接口中導入幾何時會自動的合并重合的點、線、面；具有功能強大的網格劃分工具，可以劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質量的網格。GAMBIT中專有的網格劃分算法可以保證在較為復雜的幾何區域可以直接劃分出高質量的六面體網格。GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW、NEKTON、ANSYS等求解器所需要的網格。

FLUENT是用于模擬具有復雜外形的物體周圍流體流動以及熱傳導的計算機程序。它提供了靈活的網格形狀，你可以使用非結構網格以縮短產生網格所需要的時間。初始網格可以使用GAMIT等前處理軟件進行。在流場的大梯度區域，為了非常準確的預測流動，自適應網格是非常有用的。與結構網格和塊結構網格相比，這一特點很明顯地減少了產生“好”網格所需要的時間。對于給定精度，解適應細化方法使網格變得很簡單，并且減少了計算量。Fluent主要應用于以下一些方面：航空航天、汽車、船舶與海洋工程、機械等，其為工業流動模擬求解。對于模擬復雜流場結構的不可壓縮、可壓縮流動來說，fluent是很理想的軟件。

2 問題描述

船體高H=2m，船底長L=10m。船艏與水平線夾角α=45°；船頭裝有長為a=1m的壓浪板，壓浪板與水線夾角為β=30°。若船體單位寬度上重為G=mg=17.5×103×9.81kg并以V=18km/h=5m/s勻速行駛在平靜的河水里，試研究此船舶的行駛過程和行駛阻力。

水的物理參數：密度ρ=1000kg/m3，動力黏度μ=1.7894×10-5Pa·s

空氣的物理參量：密度ρ=1.225kg/m3，動力黏度μ=1.7894×10-5Pa·s

3 模型建立

在船體附近創建一個相對較小的流域，其本意一是便于船體附近網格的加密，因為流動參數在這一區域的梯度較大；二是便于調整船體的升高或降低，當然，當水較深時也可通過調整水線位置來調整船體的升高或降低。

另外，值得說明的是本文中沒有考慮船體的縱傾角，即假設船體保持水平狀態；另外也沒考慮船舶的動力系統問題。

4 網格劃分

在形成封閉的流體域后就可以進行網格劃分了，劃分網格是前處理過程中最困難的部分，網格單元劃分的好壞不僅決定了求解是否準確，還決定了求解時間的長短。先后創建網格點分布，面網格，再創建外圍流域，緊接著就是網格劃分。劃分好的網格如圖1。

5 FLUENT數值計算

通過GAMIT建模劃分網格后，生成mesh文件，導入FLUENT中進行設置并計算。

圖1 計算流域網格圖

按照如下步驟進行求解計算，計算結果如下圖所示。

圖2 阻力殘差曲線

圖3 船體升力信息

從以上阻力殘差曲線以及船體升力信息可以看出，流動已經基本達到穩定狀態。

6 結論

本文以某二維船型為例，在FLUENT軟件中進行了模擬計算，獲得了較好的理論計算值。這主要歸功于良好的自由面網格劃分。隨著CFD的發展，可對此類二維船型問題采用CFD技術進行進一步地模擬求解。

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[責任編輯：湯靜]