基于SHIPFLOW的KCS船型興波阻力數(shù)值計(jì)算

萬超

摘 要：本文以韓國船舶與海洋工程研究所（KRISO）的集裝箱船標(biāo)模KCS為研究對象，利用CFD軟件SHIPFLOW對其進(jìn)行興波阻力性能數(shù)值模擬，比較網(wǎng)格質(zhì)量、傅汝德數(shù)對興波阻力性能計(jì)算結(jié)果的影響。結(jié)果表明：傅汝德數(shù)相同，網(wǎng)格質(zhì)量不同時(shí)，計(jì)算結(jié)果不同；網(wǎng)格質(zhì)量相同，傅汝德數(shù)不同，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值有所差異，但是總體趨勢與實(shí)驗(yàn)值較為一致。本文對不同網(wǎng)格質(zhì)量、不同傅汝德數(shù)下的KCS船型作了興波阻力的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果具有一定可靠性，為基于興波阻力的船型優(yōu)化提供興波阻力性能數(shù)值計(jì)算支撐。

關(guān)鍵詞：興波阻力；KCS；數(shù)值模擬；網(wǎng)格質(zhì)量；傅汝德數(shù)

中圖分類號(hào)：U66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）05-0039-02

國際船舶ITTC會(huì)議已將基于仿真的設(shè)計(jì)列為數(shù)值模擬技術(shù)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)課題。將CFD技術(shù)應(yīng)用于船型優(yōu)化中，不僅需要進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，還要保證計(jì)算結(jié)果具有可接受的精度。為縮短計(jì)算耗時(shí)，除了應(yīng)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)硬件的建設(shè)外，還需要保證計(jì)算精度在可接受的情況下，使得計(jì)算網(wǎng)格數(shù)較少。

1 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證

1.1 計(jì)算模型

1.2 計(jì)算工況

1.3 計(jì)算域和邊界條件

在CFD計(jì)算中，一個(gè)關(guān)鍵因素是計(jì)算域的合理選取。過大的計(jì)算域會(huì)使計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間大幅增加，而過小的計(jì)算域又會(huì)使計(jì)算精度不滿足計(jì)算要求，且數(shù)值模擬的狀態(tài)與真實(shí)的情況不符。

1.3.1 計(jì)算域

由于船體左右對稱，船體左右的流場也對稱，所以只需計(jì)算左舷或右舷的半個(gè)船體的流場。參考以往數(shù)值計(jì)算實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算域選取如下：

興波阻力的計(jì)算域：計(jì)算域?yàn)闄M向?qū)挾热?.7倍船長，縱向首部向前取0.5倍船長，尾部向后取1倍船長。

1.3.2 邊界條件

邊界條件就是在求解域的邊界上，物理量需要滿足的數(shù)學(xué)條件，邊界條件反應(yīng)了問題的物理本質(zhì)。

2 網(wǎng)格劃分

在CFD計(jì)算中，另一個(gè)關(guān)鍵因素是網(wǎng)格的劃分。勢流方法計(jì)算興波阻力，其精度對面元的分布有一定的依賴性，即網(wǎng)格的質(zhì)量直接決定計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以生成高質(zhì)量的網(wǎng)格是計(jì)算的關(guān)鍵。

興波阻力計(jì)算的面元網(wǎng)格劃分。采用貼體的曲面坐標(biāo)系并在這個(gè)坐標(biāo)系中劃分網(wǎng)格，因此自由液面的網(wǎng)格能夠直接反映波面的起伏狀況。根據(jù)KCS船型特點(diǎn)，其興波面元分布（面網(wǎng)格劃分）應(yīng)注意在船體瞬時(shí)濕表面、瞬時(shí)水面均需劃分面元網(wǎng)格，并在曲率變化大的首尾進(jìn)行加密；在自由水面上，面元網(wǎng)格在縱向盡量分布均勻，側(cè)向靠近船體較密。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同網(wǎng)格的計(jì)算分析

由于KCS船型的興波阻力沒有試驗(yàn)結(jié)果，因此興波阻力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果沒有試驗(yàn)結(jié)果對比。但從理論分析可知細(xì)網(wǎng)格計(jì)算的結(jié)果更可靠。本文為驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響及SHIPFLOW在不同網(wǎng)格數(shù)時(shí)計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性，對KCS船型進(jìn)行型線修改，獲得17條局部型線變化的“KCS”船型（假設(shè)局部位置的改變不會(huì)對興波阻力產(chǎn)生較大影響），并采用兩套網(wǎng)格（粗網(wǎng)格：約800個(gè)面元，細(xì)網(wǎng)格：約3600個(gè)面元）分別計(jì)算其興波阻力性能，計(jì)算結(jié)果見表2。

相比于細(xì)網(wǎng)格，粗網(wǎng)格計(jì)算穩(wěn)定性差，計(jì)算結(jié)果的可靠性不滿足優(yōu)化分析要求。

3.2 設(shè)計(jì)航速下興波阻力計(jì)算

3.3 不同航速下的興波阻力計(jì)算

對不同航速分別進(jìn)行非線性的自由液面條件的計(jì)算，每航速計(jì)算了約8步達(dá)到穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果見表3。

得出結(jié)論：相同船型，傅汝德數(shù)越大，興波阻力系數(shù)越大。這一結(jié)果能得到理論結(jié)論的支撐。

4 總結(jié)與展望

本文采用CFD分析軟件SHIPFLOW對KCS船型作了大量的數(shù)值模擬，并比較了不同網(wǎng)格數(shù)、不同傅汝德數(shù)下的興波阻力計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果所呈現(xiàn)的規(guī)律滿足理論分析結(jié)論及經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知，因此可以認(rèn)為SHIPFLOW計(jì)算結(jié)果較為可信，可以為后續(xù)興波阻力的優(yōu)化作支撐。本文欠缺之處在于考慮網(wǎng)格影響時(shí)，只分為兩個(gè)檔次，應(yīng)該分多個(gè)檔進(jìn)行細(xì)致研究。Fr數(shù)對興波阻力的影響很大，本文只作了定性分析，沒從機(jī)理上進(jìn)行解釋，這是后期工作需要完善的部分。

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