基于STAR-CCM+對5415船模的阻力預報

魏可可，高霄鵬

(海軍工程大學 艦船工程系,武漢　430033)

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【基礎理論與應用研究】

基于STAR-CCM+對5415船模的阻力預報

魏可可，高霄鵬

(海軍工程大學 艦船工程系,武漢430033)

以5415船模為研究對象，介紹了STAR-CCM+對5415船模的數值仿真過程，對該船模的阻力、升沉及橫傾角進行了數值計算，并與現有的試驗值進行對比，驗證了STAR-CCM+對該船型在靜水運動中數值模擬的有效性；研究表明：總阻力系數、剩余阻力系數都是隨Fr增大而增大，當Fr<0.35時，增長緩慢，當Fr>0.35時，增長迅速；同時在Fr=0.35時，橫傾角發生了顯著的變化，Fr=0.35是該船模靜水阻力性能發生變化的分界點。

5415標模；深沉；STAR-CCM+；Fr本文引用格式：魏可可，高霄鵬.基于STAR-CCM+對5415船模的阻力預報[J].兵器裝備工程學報，2016(9):157-161.

船舶的快速性是船舶諸性能(如浮性、穩性、抗沉性、快速性、耐波性、操縱性等)的重要性能，快速性的優劣，對民用船舶來說將影響船舶的使用性和經濟性。對于軍用艦艇而言更為重要，因為快速性與提高艦艇的作戰性能密切相關，因此，幾乎每一艘船舶，在設計任務書中就給定明確的快速性指標，當船舶建成時，測定是否達到規定的快速性指標是船舶試航的一個重要內容[1]。船舶的阻力預報是研究船舶快速性的一個重要指標，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。

STAR-CCM+是一款新型CFD模擬軟件，本文采用STAR-CCM+對5415船模的阻力進行數值模擬。

1　控制方程

STAR-CCM+數值計算所采用控制方程的是質量守恒方程、動量守恒方程。

質量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

控制方程的通用形式：

(3)

式(3)中，φ為通用變量，可以代表u、v、w、等的求解變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。

所有的控制方程都可以經過適當的數學處理后化為標準形式，然后將方程右端各項集中一起定義為源項，化為通用的微分方程，求出其數值解，對于不同的φ，只要重復調用程序，并給出Γ和S的適當表達式以及適當的初始條件和邊界條件，便可求解。

2　計算模型及仿真過程

2.1船體模型

本文的船體模型采用5415船模，模型的主尺度如表1所示，模型的三維圖如圖1所示。

表1　5415模型主尺度

圖1　5415船模型

2.2計算域及網格的劃分

STAR-CCM+是款一體化的處理軟件，在同一界面既能對模型進行網格的劃分，又能對生成好的網格模型進行后處理。首先選取網格模型，對于船體一般選取剪切型非結構化網格，圖1中陰影密集部分為加密區域，所生成的計算域及船體網格如圖2和圖3所示。

其中計算域36m×27m×18m。

圖2　計算域

圖3　船體網格

2.3網格密度的選取

為了分析不同網格密度對計算結果的影響，以航速V=2.196m/s為例，對4種不同網格密度計算域下的船體阻力值進行計算，并將阻力按式(4)進行無量綱化，然后將無量綱化的阻力進行相互對比。固定邊界層的總厚度為0.02m，通過改變層數來改變網格到船體表面的距離，進而影響著網格密度，具體網格和計算的無量綱化阻力值如表2所示。

(4)

式(4)中，[Rw]為有量綱的阻力值，π1為無量綱的阻力值，ρ為水的密度，L船模的長度，V為航速。

表2　不同網格數量下的水動力比較

由表2可知，隨著邊界層層數的增加，計算所得水動力趨于穩定。當邊界層層數為8時，已在穩定范圍內，因此，本文采用邊界層數為8的網格密度的計算域進行計算。

2.4選擇與設置物理模型

設置并激活數個物理模型以模擬作用于船上的力。此模擬通過使用VOF波模型，對同一連續體內的兩種流體(空氣和水)進行建模，這是STAR-CCM+較傳統的CFD軟件的一大特色，STAR-CCM+對于運動問題尤其是船舶在波浪運動中問題的解決顯得尤為簡便。存在不同的兩相流體，選取歐拉多相流；使用重力模型將兩種流體及船受到的重力作用考慮其中。

2.5設置初始條件及邊界條件

使用與先前定義好的VOF波的相關場函數設置初始條件，初始條件包括自由表面波的分布、相內的速度分布以及流體靜壓等。根據已經選取的邊界類型來設置與各類型相對應的邊界條件。其邊界條件設置如圖4所示。

圖4　邊界條件的設置

2.6設置DFBI運動和6自由度體

在DFBI中可對船體的質量、重心、慣量等主尺度參數進行設置，通過結合VOF波的設置，可以對船舶的不同狀態進行設置；6自由度體的設置包括X軸平移與旋轉、Y軸平移與旋轉、Z軸平移與旋轉，本文選取釋放Z軸的垂向運動以及繞Y軸的旋轉運動，如圖5所示。

圖5　三自由度模型

2.7監測結果顯示

從以上的圖6到圖8可以實時考察該船的數值運動模擬情況，從圖6可以實時觀察船體自由液面的變化情況，即可以研究船舶的在自由液面的深沉變化情況；從圖7可以了解船體周圍興波的變化情況。從圖8可以實時監測船舶阻力值隨時間的變化情況，當曲線最終趨于平穩時，就是所需的阻力值。

圖6　自由液面模擬云圖

圖7　船體周圍興波模擬云圖

圖8　阻力的時歷曲線

3　試驗的驗證

為了便于與現有的試驗數據比較，采取了V=0.749m/s、1.124m/s、1.501m/s、1.873m/s、2.245m/s、2.621m/s、2.996m/s等7個不同的靜水速度，其對應的Fr分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4。每個速度下監測其靜水的阻力值，并將阻力值按式(4)進行無量綱化，將無量綱化阻力值與現有的試驗數據進行對比。結果如圖9所示。

圖9　無量綱試驗值與仿真值的比較

從圖9中可以看出無量綱化的仿真值與試驗結果的變化規律基本一致，二者數值的峰值差距約為8%，說明采用本方法進行數值仿真計算具有可行性。

4　仿真結果的分析

本文采取了V=0.749m/s、1.124m/s、1.501m/s、1.873m/s、2.245m/s、2.621m/s、2.996m/s、3.371m/s的8個不同的靜水速度，其對應的Fr分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45。在每個速度下分別監測總阻力、摩擦阻力、剩余阻力、升沉值、橫傾角，然后將阻力按照式(6)換算為阻力系數。

4.1不同速度下總阻力系數、摩擦阻力系數及剩余阻力系數的變化情況

STAR-CCM+相比于常規的CFD軟件對船舶的數值模擬的優點在于對運動模擬容易且方便，當網格達到一定精度和數量時，對于阻力值的模擬可以達到很高的精度。STAR-CCM+可以直接數值計算出船舶的總阻力、摩擦阻力、剩余阻力。

由傅汝德阻力分類可知，可以將船舶所受到的總阻力Rt分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr，即：

(5)

總阻力系數、摩擦阻力系數及剩余阻力系數計算可作如下所示：

其中:ρ為密度;v為航速;S為濕表面積;ΔCf為粗糙度補貼系數。將數值計算所得的總阻力Rt、摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr按以上公式化為其相應的阻力系數。不同的傅汝德數下總阻力系數、摩擦阻力系數及剩余阻力系數如圖10所示。

圖10　不同阻力系數的比較

由圖10可知，總阻力系數隨著Fr增大也不斷增大；但摩擦阻力系數隨著Fr增大不斷變小；剩余阻力系數隨著Fr增大也不斷增大。對于總阻力系數和剩余阻力系數，當Fr<0.35時，增長是緩慢的；當Fr>0.35時，增長是迅速的。由此說明航速對阻力影響很大。

4.2不同速度下的橫傾角及升沉值的變化

由圖11、圖12可知：隨著Fr的增大，橫傾由正變為負，即船體開始由左舷傾斜到最后變為向右舷傾斜，且在Fr=0.35時，發生顯著變化。隨著Fr的增大，升沉值越來越大，說明隨著Fr的增大，船體的縱向運動幅度不斷增大。由此可見，速度的突然增大使該船舶姿態有顯著變化。

圖11　橫傾角的變化

圖12　深沉值的變化

4.3不同航速下船體的興波情況

由圖13可知：當傅汝德數Fr=0.1即航速很低時，船體左右兩側的興波很小且對稱性很好，隨著航速的增大，船體兩側的興波越來越大，背流面散出的波形距離船體越來越遠，同時船后的興波也越來越大；同時隨著航速的增大，船艏部分背流面低氣壓越來越顯著，同樣迎流面的高氣壓也在顯著增加，壓力使得波高也在增加。

圖13不同航速下船體周圍的興波

5　結論

1) 本文介紹了新型CFD軟件STAR-CCM+對5415船模的阻力預報的數值仿真過程，并通過仿真值與試驗值對比，驗證了STAR-CCM+對5415船模阻力預報的可行性，可對船舶數值仿真提供參考。

2) 本文通過運用STAR-CCM+對某5415船模的靜水中阻力、升沉、橫傾等進行了數值計算研究，得出了該船靜水阻力的一般規律：Fr=0.35是總阻力系數、剩余阻力系數及橫傾角變化的分界點； 隨著航速的增大，背流面散出的波形距離船體越來越遠，船體周圍的興波越來越大。以上規律可為研究船舶靜水阻力提供借鑒和參考。

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(責任編輯唐定國)

ResistancePredictionof5415ShipModelBasedonSTAR-CCM+

WEIKe-ke,GAOXiao-peng

(DepartmentofNavalArchitecture，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033,China)

Basedonthe5415shipmodelastheresearchobject,thispaperintroducedthenumericalsimulationprocessaccordingto5415shipmodelbySTAR-CCM+,whichsimulatedtheresistance,heaveandheelingabouttheshipmodel,andcomparedwithexistinggiventestvalue,weverifiedtheSTAR-CCM+ontheboatinstillwatermovementthevalidityofthenumericalsimulation.ResearchshowsthatthetotalresistancecoefficientandresidualresistancecoefficientincreasewiththeFrincrease,andthegrowthisslowwhenFr<0.35,andthegrowthisrapidwhenFr>0.35;thetransverseinclinationhaschangedsignificantlywhenFr=0.35.SoFr=0.35isthedividingpointofresistanceperformanceoftheshipmodelchange.

5415standardmodel；sinkage；STAR-CCM+；Fr

2016-03-18；

2016-04-20

魏可可(1992—)，男，碩士，主要從事船舶流體力學研究。

10.11809/scbgxb2016.09.036

format:WEIKe-ke,GAOXiao-peng.ResistancePredictionof5415ShipModelBasedonSTAR-CCM+[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):157-161.

TH11

A

2096-2304(2016)09-0157-05